CN109755853B - 一种尼罗红有机溶剂作为增益介质的染料激光装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种尼罗红有机溶剂作为增益介质的染料激光装置，该染料激光装置包括作为泵浦源的二倍频的Nd:YAG激光器、光学系统和染料激光谐振腔，染料激光谐振腔包括装有尼罗红有机溶液的石英比色皿。本发明采用尼罗红作为激光增益介质，利用尼罗红的溶剂化显色特性，即在不同有机溶剂中的荧光/激光强度与中心波长和溶剂的极性有关，通过改变系统极性得到78nm调谐范围的激光输出，以及双波长“比例激光”的结果。

Description

一种尼罗红有机溶剂作为增益介质的染料激光装置

技术领域

本发明涉及一种染料激光器，具体为一种尼罗红有机溶剂作为增益介质的染料激光装置。

背景技术

自从1960年世界上第一台红宝石激光器问世以来，激光技术已经迅猛发展了50多年。激光具有单色性好、方向性强、亮度高等特点，现已发现的激光工作物质有几千种，波长范围从软X射线到远红外，使其应用范围非常广泛，目前已与多个学科相结合形成多个应用技术领域，如激光加工技术，激光检测与计量技术，激光光谱技术，非线性光学，激光化学，激光雷达，激光武器以及大气环境的光谱检测技术等。随着激光技术越来越成熟，其在自然科学各个领域发挥的作用也越来越巨大，从军用到民用，从科研到教学，从工业到农业等众多领域。

自1960年激光器出现以来，可调谐功能一直是激光器研究的重要内容之一。可调谐激光器的核心器件是具有宽带能级结构的可调谐激光介质。在众多激光器中，染料激光器成为研究可调谐激光器科研人员的重点研究对象。染料激光器是以某种有机染料溶解于一定溶剂(甲醇、乙醇、水等)中作为增益介质的激光器。1964年Stockman最早开始研究有机染料激光器；从1966年Sorokin和Lankard用红宝石激光器泵浦花菁类染料首次获得激光输出，染料激光器开始得到迅猛发展。1967年Soffer和Farland用衍射光栅取代谐振腔的一个反射镜，不仅能够使输出光谱得到压缩，而且还获得了几十纳米的连续可调谐范围，为获得染料激光器的可调谐输出提供了新的方法。

染料激光器的调谐范围高达几微米，是应用最多的一种可调谐激光器。染料激光器具有输出谱线范围宽、功率高、吸收和增益易控制等特点，其中最重要的一点是它的输出激光波长在很宽的范围内均连续可调。目前使用最多、最传统的调谐方法是在激光腔内或者腔外加上调谐光学元件，例如衍射光栅、色散棱镜，F-P标准具等，对输出宽带激光进行压缩与调谐。这种利用色散元件进行调谐的方法虽然调谐范围比较大，但是它也存在一部分的缺点，例如忽略了部分调谐范围，以及缺乏实现双波长激光输出的功能。此外，在调谐过程中需要非常精细的操作，增加了操作难度。

发明内容

本发明的目的是采用一种新型的激光染料——尼罗红，设计出一种使用尼罗红有机溶剂作为增益介质的染料激光系统。

本发明采用的技术方案为：一种尼罗红有机溶剂作为增益介质的染料激光装置，包括激光泵浦源、光学系统和激光染料谐振腔。其中激光泵浦源1为Nd:YAG固体激光器，泵浦源发出的光束经二倍频光学晶体2得到倍频输出光，由半波片3与偏振片4共同调节输出能量，后通过第一全反镜5和第二全反镜6改变光路方向后经过分束镜7，一部分泵浦光经第三全反镜15接入能量计16监测泵浦能量，另一部分直接泵浦染料激光增益系统。泵浦光经聚焦透镜8与小孔光阑9后进入增益系统，增益系统包括平面二向色镜10、装有尼罗红不同有机溶剂的石英比色皿11、反射式闪耀光栅12以及调谐全反镜13，平面二向色镜10位于小孔光阑9后10mm，装有尼罗红有机溶剂的石英比色皿11位于平面二向色镜10后15mm，入射光在反射式闪耀光栅12上的入射点距石英比色皿11右窗口20mm，调谐全反镜13表面与反射式闪耀光栅12光栅面平行，且距离为10mm，最后输出激光接入光谱仪14进行分析。

其中，实验中用到的尼罗红为一种荧光染料，分子式为C20H18N2O2，所用有机溶剂分别为乙醇、丙酮，乙醚以及甲苯。乙醇、丙酮、乙醚以及甲苯溶剂的含量GC≥99.5％。尼罗红在纯乙醇溶液里的浓度值为60μg/mL，在纯丙酮，纯甲苯以及纯乙醚溶液里的浓度值为50μg/mL。

其中，所述激光泵浦源为Nd:YAG固体激光器，输出激光波长为1064nm。Nd:YAG固体激光器经过的倍频晶体为磷酸钛氧钾(KTP)晶体。

其中，第一全反镜5、第二全反镜6、第三全反镜15为表面镀膜的1064nm/532nm的二向色镜，在532nm左右反射率R>99.5％。分束镜7分束比为1:9，其中90％能量的泵浦光经分束镜7反射与第三全反镜15反射后接入能量计16监测泵浦能量，另外10％能量的泵浦光透过分束镜7作为染料激光增益系统的直接泵浦源。透过分束镜7的泵浦激光经过焦距为17cm的聚焦透镜8与通光口径5mm的小孔光阑9后进入染料激光谐振腔。

其中，激光染料谐振腔包括平面二向色镜10、石英比色皿11、反射式闪耀光栅12和调谐全反镜，谐振腔全长大约5cm，平面二向色镜10为平面二向色镜，镀膜使其在532nm处透射率T>95％，在560～700nm范围内反射率R>95％。石英比色皿11用来盛装尼罗红的不同有机溶液，光程为5mm，两光学面在400～700nm范围内透射率超过99.5％。泵浦光经过平面二向色镜10与石英比色皿11掠射入反射式闪耀光栅12。反射式闪耀光栅12(1200刻线/mm)选用闪耀波长为500nm的普通划线光栅，尺寸大小为10cm*10cm，调谐全反镜13为镀铝膜的宽带反射镜。较强的1级衍射光经由调谐全反镜13反馈回谐振腔内继续震荡，沿轴向传输的染料激光最终沿着光栅衍射的0级方向输出。固定光栅掠入射的角度，通过旋转调谐全反镜13即可实现染料激光的可调谐输出。

其中，保持调谐全反镜不旋转，利用尼罗红的溶剂化显色特性，将纯乙醚与纯乙醇溶剂按含量比从10:0到0:10配成混合溶剂，尼罗红分别以50μg/mL的浓度溶解在混合溶剂中，实现染料激光的可调谐输出。

其中，实现比例激光双波长输出的方法为：采用双层串联的石英比色皿，其中前腔装有100μg/mL的若丹明6G的乙醇溶液，后腔装有尼罗红的乙醇溶液，分别将其浓度配置为120μg/mL、100μg/mL、80μg/mL、60μg/mL、40μg/mL、20μg/mL以及10μg/mL，得到一组双波长激光输出，其中若丹明6G染料的输出激光峰值波长保持不变，尼罗红染料的输出激光波长与相对强度随着浓度的变化不断改变，即得到一组“比例激光”输出。

本发明具有以下优点：

1、利用了尼罗红的溶剂化显色特性，通过混合有机溶剂改变环境的极性，得到尼罗红输出激光的调谐。

2、在溶剂极性调谐的基础上，加入光栅进行压缩谱宽与输出调谐，扩展了尼罗红有机溶液的调谐范围，整体调谐范围达到近80nm。

3、利用串联两个石英比色皿，将若丹明的乙醇溶液与尼罗红的乙醇溶液同时泵浦，通过不断改变尼罗红在乙醇溶液中的浓度，得到一组“比例激光”的输出，可以用来标定微小量、检测溶液浓度以及扩大染料激光器调谐范围等。

4、整体结构简单，操作容易，成本较低。

附图说明

图1是本发明专利中实现光栅调谐与溶剂极性调谐的光路图。

图2是实施例1中尼罗红乙醇溶液的输出荧光与激光光谱。

图3是实施例1中尼罗红乙醇溶液的输出能量与半高宽随泵浦能量变化曲线。

图4、图5、图6分别是实施例2、3、4中尼罗红丙酮溶液、尼罗红甲苯溶液、尼罗红乙醚溶液的输出荧光与激光光谱。

图7是实施例5尼罗红在乙醚/乙醇混合溶剂中通过改变溶剂配比得到的激光调谐输出光谱图。

图8是实施例5尼罗红在乙醚乙醇混合溶液中，在极性调谐的基础上通过旋转调谐全反镜得到的整体激光调谐输出光谱图。

图9是实施例6中串联泵浦若丹明6G/尼罗红乙醇溶液的光路图。

图10是实施例6中串联泵浦若丹明6G/尼罗红乙醇溶液的“比例激光”输出光谱图。

图11是实施例6中若丹明6G/尼罗红乙醇混合溶液体系得到的不同浓度下尼罗红激光调谐范围，与单一尼罗红/乙醇溶液中不同浓度下的激光输出调谐范围之间的对比。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。

实施例1：图1所示是本发明中实现光栅调谐与溶剂极性调谐的光路图。整个染料激光装置包括激光泵浦源、光学系统与染料激光谐振腔。激光泵浦源1是Nd:YAG固体激光器，经过KTP晶体2倍频输出。光学系统包括由半波片3与偏振片4构成的能量调节系统、第一全反镜5、第二全反镜6、第三全反镜15、分束镜7、聚焦透镜8与小孔光阑9构成。第一全反镜5、第二全反镜6、第三全反镜15为表面镀膜的1064nm/532nm二向色镜，532nm左右反射率R>99.5％。分束镜7分束比1:9，其中90％能量的泵浦光经分束镜7反射与第三全反镜15反射后接入能量计16监测泵浦能量，另外10％能量的泵浦光透过分束镜7作为染料激光增益系统的直接泵浦源。透过分束镜7的泵浦激光经过焦距为17cm的凸透镜8与通光口径5mm的小孔光阑9后进入染料激光谐振腔。染料激光谐振腔包括平面二向色镜10、石英比色皿11、反射式闪耀光栅12和调谐全反镜，染料激光谐振腔全长大约5cm，平面二向色镜10镀膜使其在532nm处透射率T>95％，在560～700nm范围内反射率R>95％。石英比色皿11用来盛装尼罗红的乙醇溶液，浓度为60μg/mL，光程为5mm，两光学面在400～700nm范围内透射率超过99.5％。泵浦光经过平面二向色镜10与石英比色皿11掠射入反射式闪耀光栅12。反射式闪耀光栅12(1200刻线/mm)选用闪耀波长为500nm的普通划线光栅，尺寸大小为10cm*10cm，调谐全反镜13为镀铝膜的宽带反射镜。

如图2、3所示，保持调谐全反镜不旋转，通过不断增加泵浦能量得到尼罗红在乙醇溶液中的荧光与激光光谱、输出能量与光谱半高宽随泵浦能量变化曲线。图2中曲线1代表实施例1中的乙醇溶液在泵浦阈值以下的荧光光谱，曲线2代表超过泵浦能量超过阈值后，得到的尼罗红/乙醇溶液激光光谱。图3中曲线1、曲线2分别代表阈值附近的输出光谱半高宽、输出能量随泵浦能量的变化曲线，插图中的曲线3代表实验中得到的整体输入输出能量变化曲线。随着泵浦能量不断增加，输出荧光谱宽度逐渐由46nm逐渐减小，当泵浦能量达到3.1mJ/cm²，输出光谱宽度减小至6nm，中心波长位于642nm处。继续增加泵浦能量，输出激光光谱中心波长与半高宽不变，且整体斜率效率达到1.05％。

实施例2：本实施例与实施例1不同之处在于，将石英比色皿11中的尼罗红/乙醇溶液换成尼罗红/丙酮溶液，浓度为50μg/mL。

实施例3：本实施例与实施例1不同之处在于，将石英比色皿11中的尼罗红/乙醇溶液换成尼罗红/甲苯溶液，浓度为50μg/mL。

实施例4：本实施例与实施例1不同之处在于，将石英比色皿11中的尼罗红/乙醇溶液换成尼罗红/乙醚溶液，浓度为50μg/mL。

如图4、5、6所示为实施例2、3、4中得到的尼罗红不同溶剂荧光与激光光谱。图4、5、6中的曲线1均代表该实施例中得到的尼罗红有机溶剂荧光光谱，曲线2均代表该实施例中得到的尼罗红有机溶剂激光光谱。可知尼罗红在很多有机溶剂中均可以表现出很强的荧光与激光特性。由于不同有机溶剂极性不同，其出射激光的中心波长也不同，在丙酮、甲苯以及乙醚中分别为620nm、618nm以及608nm。

实施例5：考虑到尼罗红的溶剂化显色特性，将乙醚与乙醇按一定比例配置成混合溶剂，乙醚溶剂与乙醇溶剂的比例分别为10:0、9:1、8:2、7:3、6:4、5:5、4:6、3:7、2:8、1:9、0:10，尼罗红在混合溶剂中的浓度控制为50μg/mL不变。得到图7所示的极性调谐光谱图，整体调谐范围为603nm至643nm，达到40nm的调谐范围。

如图8所示为在实施例5的基础上，旋转调谐全反镜13得到的调谐输出光谱图。较强的1级衍射光经由调谐全反镜13反馈回谐振腔内继续震荡，沿轴向传输的染料激光最终沿着光栅衍射的0级方向输出。固定光栅掠入射的角度，通过旋转调谐全反镜13即可实现染料激光的可调谐输出。通过光栅调谐扩展了实施例5的调谐范围，从582nm到660nm，实现了78nm的调谐输出。

实施例6：图9所示为本发明中实现双波长“比例激光”输出的部分光路图。染料激光谐振腔采用平行平面腔结构，包括平面二向色镜10，串联比色皿池17，输出耦合镜18以及输出滤波片19。平面二向色镜10与实施例1-5中一样。输出耦合镜18为在400nm～700nm范围内反射率为85％的部分反射镜，输出滤波片19为532nm带阻滤波片。串联比色皿池17由两块单层石英比色皿胶合构成，每一块比色皿光程均为5mm。将串联比色皿池17中靠近泵浦光的其中一个池中装入若丹明6G的乙醇溶液，浓度为100μg/mL，保持不变。另一池中装有尼罗红的乙醇溶液，浓度分别为120μg/mL、100μg/mL、80μg/mL、60μg/mL、40μg/mL、20μg/mL以及10μg/mL。泵浦光垂直泵浦串联比色皿池17，通过设置不同浓度的尼罗红乙醇溶液，得到一组双波长输出激光光谱图。将若丹明6G乙醇溶液的激光峰值作为标准，就可以得到一组若丹明6G/尼罗红乙醇溶液的输出“比例激光”光谱图，图10中曲线1代表532nm的泵浦光谱，曲线2、3、4、5、6、7、8代表实施例6中不同浓度的尼罗红/乙醇溶液中得到的激光光谱，其浓度分别为10μg/mL，20μg/mL，40μg/mL，60μg/mL，80μg/mL，100μg/mL和120μg/mL。图11中散点1所示为在单一乙醇溶液中得到的浓度调谐输出范围，散点2所示为在这种串联比色皿池中得到的“比例激光”浓度调谐输出范围如图10、11所示。通过将尼罗红乙醇溶液的浓度从120μg/mL逐渐降低至10μg/mL，得到的输出双波长激光其中一峰的中心波长范围为645nm至610nm，相对于在纯有机溶液(如乙醇)中进行改变浓度的调谐(3nm左右)范围大很多。

本发明利用了尼罗红的溶剂化显色特性，通过二倍频的Nd:YAG固体激光器进行脉冲泵浦，通过改变有机溶剂的极性进行极性调谐，以及旋转调谐全反镜进行光栅调谐，得到一组在582nm到660nm的连续可调输出光谱。同时又将若丹明6G的乙醇溶液与尼罗红的乙醇溶液置于串联比色皿池中进行串联泵浦，通过改变尼罗红溶液的浓度，得到一组双波长的“比例激光”输出，在微小量检测、太赫兹光源、血液检测以及扩展调谐激光器的调谐范围等领域中有很重要的应用前景。

Claims (5)

1.一种尼罗红有机溶剂作为增益介质的染料激光装置，其特征在于：由激光泵浦源、光学系统和染料激光谐振腔组成，其中激光泵浦源（1）为Nd:YAG固体激光器，激光泵浦源（1）发出的光束经二倍频光学晶体（2）得到倍频输出光，由半波片（3）与偏振片（4）共同调节输出能量，后通过第一全反镜（5）和第二全反镜（6）改变光路方向后经过分束镜（7），一部分泵浦光经第三全反镜（15）接入能量计（16）监测泵浦能量，另一部分直接泵浦染料激光谐振腔，泵浦光经聚焦透镜（8）与小孔光阑（9）后进入染料激光谐振腔，染料激光谐振腔包括平面二向色镜（10）、装有尼罗红不同有机溶剂的石英比色皿（11）、反射式闪耀光栅（12）以及调谐全反镜（13），平面二向色镜（10）位于小孔光阑（9）后10mm，装有尼罗红有机溶剂的石英比色皿（11）位于平面二向色镜（10）后15mm，入射光在反射式闪耀光栅（12）上的入射点距石英比色皿（11）右窗口20mm，调谐全反镜（13）表面与反射式闪耀光栅（12）光栅面平行，且距离为10mm，最后输出激光接入光谱仪（14）进行分析；

实验中用到的尼罗红为一种荧光染料，分子式为C₂₀H₁₈N₂O₂，所用有机溶剂分别为乙醇、丙酮，乙醚以及甲苯，乙醇、丙酮、乙醚以及甲苯溶剂的含量GC≥99.5%；

尼罗红在纯乙醇溶液里的浓度值为60μg/mL，在纯丙酮，纯甲苯以及纯乙醚溶液里的浓度值为50μg/mL；

染料激光增益系统谐振腔包括平面二向色镜（10）、石英比色皿（11）、反射式闪耀光栅（12）和调谐全反镜（13），谐振腔全长大5cm，平面二向色镜（10），镀膜使其在532nm处透射率T>95%，在560~700nm范围内反射率R>95%；石英比色皿（11）用来盛装尼罗红的不同有机溶液，光程为5mm，两光学面在400~700nm范围内透射率超过99.5%；泵浦光经过平面二向色镜（10）与石英比色皿（11）掠射入反射式闪耀光栅（12）；反射式闪耀光栅（12）选用闪耀波长为500nm的普通划线光栅，1200刻线/mm，尺寸大小为10cm10cm，调谐全反镜（13）为镀铝膜的宽带反射镜；较强的1级衍射光经由调谐全反镜（13）反馈回谐振腔内继续震荡，沿轴向传输的染料激光最终沿着光栅衍射的0级方向输出；固定光栅掠入射的角度，通过旋转调谐全反镜（13）即可实现染料激光的可调谐输出；

保持调谐全反镜（13）不旋转，利用尼罗红的溶剂化显色特性，将纯乙醚与纯乙醇溶剂按含量比从10:0到0:10配成混合溶剂，尼罗红以50μg/mL的浓度溶解在混合溶剂中，实现染料激光的可调谐输出；

实现比例激光双波长输出的方法为：采用双层串联的石英比色皿，其中前腔装有100μg/mL的若丹明6G的乙醇溶液，后腔装有尼罗红的乙醇溶液，分别将其浓度配置为120μg/mL、100μg/mL、80μg/mL、60μg/mL、40μg/mL、20μg/mL以及10μg/mL，得到一组双波长激光输出，其中若丹明6G染料的输出激光峰值波长保持不变，尼罗红染料的输出激光波长与相对强度随着浓度的变化不断改变，即得到一组“比例激光”输出。

2.根据权利要求1所述的一种尼罗红有机溶剂作为增益介质的染料激光系统，其特征在于：所述激光泵浦源（1）为Nd:YAG固体激光器，输出激光波长为1064nm；Nd:YAG固体激光器经过的倍频晶体为磷酸钛氧钾（KTP）晶体。

3.根据权利要求1所述的一种尼罗红有机溶剂作为增益介质的染料激光系统，其特征在于：第一全反镜（5）、第二全反镜（6）、第三全反镜（15）为表面镀膜的1064nm/532nm的二向色镜，在532nm左右反射率R>99.5%。

4.根据权利要求1所述的一种尼罗红有机溶剂作为增益介质的染料激光系统，其特征在于：分束镜（7）分束比为1:9，其中90%能量的泵浦光经分束镜（7）反射与第三全反镜（15）反射后接入能量计（16）监测泵浦能量，另外10%能量的泵浦光透过分束镜（7）作为染料激光增益系统的直接泵浦源。

5.根据权利要求1所述的一种尼罗红有机溶剂作为增益介质的染料激光系统，其特征在于：透过分束镜（7）的泵浦激光经过焦距为17cm的聚焦透镜（8）与通光口径5mm的小孔光阑（9）后进入染料激光谐振腔。