CN111048977A - 一种染料激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种染料激光器，解决现有染料激光器光路准直难度大，稳定性和环境适应性差、体积较大的问题。该激光器包括振荡级染料池、放大级染料池、光纤束，光纤束由多根多模光纤组成，光纤束包括输入端、第一输出端、第二输出端；输入端用于与泵浦激光连接；第一输出端的出射光束沿水平传输至振荡级染料池处，且该光束的出射方向与振荡级染料池的光轴共面；第二输出端出射光束沿水平传输至放大级染料池处，且该光束的出射方向与放大级染料池的光轴共面；振荡级染料池和放大级染料池之间设有输出腔镜、凹透镜、凸透镜；第一输出端的出射光束依次经过振荡级染料池、输出腔镜、凹透镜、凸透镜后与第二输出端的出射光束同时到达放大级染料池。

Description

一种染料激光器
技术领域
本发明属于激光器技术，具体涉及一种染料激光器。
背景技术
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)中作为激活介质的激光器。染料激光器是激光光谱学不可缺少的手段之一。高分辨激光光谱用来研究物质的超精细结构；超短脉冲的时间、空间高分辨率光谱用来研究物质的瞬态变化及微观动力学过程。在工业上用激光光谱学可进行微量或超微量的高灵敏度物质分析。此外，染料激光器在同位素分离、光化学、大气污染监测等方面也有极为重要的应用。
染料激光器是一种以染料为工作物质，以激光器为泵浦源的激光器件。染料激光器输出激光的波长连续可调。因而可以得到所需要波长的激光。染料激光器具有高的输出功率和波长连续可调的特点，故此种激光器应用范围较广。可用作染料激光器的泵浦源有很多,如:氮分子激光泵浦脉冲染料激光器；Nd:YAG激光泵浦脉冲染料激光器；氢离子激光泵浦连续染料激光器；闪灯泵浦脉冲染料激光器等。
现有商业染料激光器通常采用振荡、放大方式，其中，泵浦激光经过分束镜分束、反射镜反射、光路延迟以及透镜组整形聚焦等方式分别振荡级、放大级，实现染料激光输出。这种方式已经较成熟，可实现较高的转换效率。但现有商用染料激光器仍然存在诸多不足，如：(1)系统精密、需要专业人员调试和维护；(2)由于应力、形变等原因造成光路漂移，需要定期对光路系统进行准直和维护；(3)难以适应强振动环境；(4)体积较大，不利于移动或与其他设备集成。造成这些不足的主要原因是现有染料激光器主要由分束镜、反射镜、透镜对泵浦激光进行分束、延时和整形聚焦等，即增加了光路准直的难度、同时也降低了稳定性和环境适应性。
发明内容
为了解决现有染料激光器的光路准直难度大，稳定性和环境适应性差、体积较大不利于移动或与其他设备集成的技术问题，本发明提供了一种染料激光器，具有稳定性好、易维护性的特点，同时减小激光器的体积并利于移动和集成。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：
一种染料激光器，包括一线式的振荡级染料池和放大级染料池，其特殊之处在于：还包括光纤束；所述光纤束由多根多模光纤组成，光纤束包括输入端、第一输出端、第二输出端；所述输入端用于与泵浦激光连接；所述第一输出端的出射光束沿水平传输至振荡级染料池处，且该光束的出射方向与振荡级染料池的光轴共面；所述第二输出端出射光束沿水平传输至放大级染料池处，且该光束的出射方向与放大级染料池的光轴共面；
所述振荡级染料池和放大级染料池之间设有输出腔镜、凹透镜、凸透镜；
所述第一输出端的出射光束依次经过振荡级染料池、输出腔镜、凹透镜、凸透镜后与第二输出端的出射光束同时到达放大级染料池。
进一步地，还包括设置在凹透镜和凸透镜之间的预放级染料池；
所述光纤束还包括第三输出端，第三输出端的出射光束沿水平传输至预放级染料池处，且该光束的出射方向与预放级染料池的光轴共面；
所述第一输出端的出射光束依次经过振荡级染料池、输出腔镜、凹透镜后与第三输出端的出射光束同时到达预放级染料池；
所述第三输出端的出射光束依次经过预放级染料池、凸透镜后与第二输出端的出射光束同时到达放大级染料池。
进一步地，所述光纤束为一分三光纤束，输入端与第一输出端形成子光纤束一，输入端与第二输出端形成子光纤束二，输入端与第三输出端形成子光纤束三；
所述子光纤束一与子光纤束二的分束比为：1:18～1:22；
所述子光纤束一与子光纤束三的分束比为：1:4～1:6。
进一步地，所述第一输出端与振荡级染料池之间的距离为1～10mm；所述第三输出端与预放级染料池之间的距离为5～15mm；所述第二输出端与放大级染料池之间的距离为10～30mm。
进一步地，所述光纤束的输入端中光纤呈正多边形紧密排布；
所述光纤束的第一输出端、第二输出端、第三输出端中光纤均呈长条形分布。
进一步地，所述子光纤束一、子光纤束三、子光纤束二的长度分别为42cm、113cm、139cm。
进一步地，所述子光纤束一的输出端由两排光纤排列成平行四边形，其出口宽度为1cm；
所述子光纤束二的输出端由两排光纤排列成平行四边形，其出口宽度为3cm；
所述子光纤束三的输出端由两排光纤排列成平行四边形，其出口宽度为2cm。
进一步地，所述子光纤束一出射光束在振荡级染料池处的光斑形状尺寸为2*12mm；
所述子光纤束二出射光束在放大级染料池处的光斑形状尺寸为11*32mm；
所述子光纤束三出射光束在预放级染料池处的光斑形状尺寸为4*22mm。
进一步地，所述一分三光纤束中光纤为200um石英多模光纤。
进一步地，所述振荡级染料池光路上设有反射腔镜，所述反射腔镜与输出腔镜分别位于振荡级染料池的两侧。
与现有技术相比，本发明的优点是：
本发明染料激光器通过采用光纤束传输泵浦激光，并通过设置不同数量光纤组成子光纤束，分别出射泵浦振荡级染料池、预放级染料池、放大级染料池，子光纤束中不同的光纤根数实现了泵浦激光分束；通过设计光纤束输出端的空间形状，使输出激光光束在染料池处自然形成所需的光斑形状，即可实现光束整形；通过设置子光纤束的长度不一，可实现同步泵浦。上述设计大大减少了染料激光器中光学元器件的数量，有效提高了染料激光器的稳定性、易维护性，同时减小激光器的体积，便于移动以及与其他设备集成。
附图说明
图1是本发明染料激光器实施例一的原理图；
图2是该实施例中光纤束输入端光纤排布方式示意图；
图3是该实施例中子光纤束输出端光纤排布方式示意图；
图4是该实施例中不同输入激光能量条件下三个子光纤束输出的激光能量，其中Sum对应于输出能量总和，No1对应光纤束一、No2对应光纤束三、No3对应光纤束二；
图5是本发明染料激光器实施例二子光纤束输出端光纤排布方式示意图；
其中，附图标记如下：
1-输入端，2-光纤束，3-第一输出端，4-第三输出端，5-第二输出端，6-反射腔镜，7-振荡级染料池，8-输出腔镜，9-凹透镜，10-预放级染料池，11-凸透镜，12-放大级染料池，13-光纤，14-金属棒，15-子光纤束一，16-子光纤束三，17-子光纤束二。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。
实施例一
如图1所示，一种染料激光器，包括一线式的振荡级染料池7、预放级染料池10、放大级染料池12，振荡级染料池7光路上设有反射腔镜6和输出腔镜8，反射腔镜6和输出腔镜8均为染料激光的腔镜，染料激光从输出腔镜8一侧出射，振荡级染料池7与预放级染料池10之间设有凹透镜9，凹透镜9靠近预放级染料池10一侧，预放级染料池10与放大级染料池12之间设有凸透镜11；泵浦光传输方向上设有一分三光纤束2，如图2所示，光纤束2包括金属棒14和设置在金属棒14内的多根光纤13，一分三光纤束2包括输入端1、第一输出端3、第二输出端5、第三输出端4，输入端1与泵浦激光连接，则输入端1与第一输出端3形成子光纤束一15，输入端1与第二输出端5形成子光纤束二17，输入端1与第三输出端4形成子光纤束三16。
第一输出端3的出射光束沿水平传输至振荡级染料池7处，且该光束的高度与振荡级染料池7的光轴高度相同、以及该光束的出射方向与振荡级染料池7的光轴共面，即第一输出端3出射光束到达振荡级染料池7处的横向尺寸与振荡级染料池7的宽度相匹配，以及第一输出端3出射光束到达振荡级染料池7处的垂直位置；其中，横向尺寸指染料池处光束的宽度，宽度指染料池的宽度，垂直位置指染料激光的高度，与泵浦激光光束的高度相同；
第二输出端5出射光束沿水平传输至放大级染料池12处，且该光束的高度与放大级染料池12的光轴高度相同、以及该光束的出射方向与放大级染料池12的光轴共面，即第二输出端5出射光束到达放大级染料池12处的横向尺寸与放大级染料池12的宽度相匹配，以及第二输出端5出射光束到达放大级染料池12处的垂直位置；
第三输出端4的出射光束沿水平传输至预放级染料池10处，且该光束的高度与预放级染料池10的光轴高度相同、以及该光束的出射方向与预放级染料池10的光轴共面，即第三输出端4出射光束到达预放级染料池10处的横向尺寸与预放级染料池10的宽度相匹配，且第三输出端4出射光束到达预放级染料池10处的垂直位置；
一分三光纤束2由多根多模光纤13组成，一分三光纤束2所用光纤13为200um石英多模光纤，染料激光器的泵浦激光由输入端1入射，并分别经过子光纤束一15传输至振荡级染料池7，经过子光纤束二17传输至放大级染料池12，经过子光纤束三16传输至预放级染料池10。
泵浦用激光为YAG激光器的二倍频输出激光，波长532nm，单脉冲能量250mJ。一分三光纤束2的输入端1通光直径为8mm，与YAG激光光束直径一致。经过光纤束2传输后的输出能量分别为：子光纤束一15输出能量为6.7mJ，子光纤束三16输出能量为33.5mJ，子光纤束二17输出能量为135m，如图4所示。
一分三光纤束2中不同子光纤束的长度各不相同，用于泵浦振荡级染料池7的子光纤束一15与用于泵浦预放级染料池10的子光纤束三16之间的长度差与振荡级染料激光达到预放级染料池10所对应的距离相等，使得第一输出端3出射的光束依次经过振荡级染料池7、输出腔镜8、凹透镜9后与第三输出端4出射的光束同时到达预放级染料池10；用于泵浦预放级染料池10的子光纤束三16与用于泵浦放大级染料池12的子光纤束二17之间的长度差与染料激光从预放级染料池10到放大级染料池12之间的传输距离相等，使得第三输出端4出射的光束经过预放级染料池10、凸透镜11后与第二输出端5出射的光束同时到达放大级染料池12，通常子光纤束一15、子光纤束三16、子光纤束二17的长度分别为42cm、113cm、139cm。
一分三光纤束2实现对泵浦激光的能量分束，分束比由不同子光纤束2中包含光纤13的根数决定；通常子光纤束一15与子光纤束二17的分束比为：1:18～1:22；子光纤束一15与子光纤束三16的分束比为：1:4～1:6。
第一输出端3与振荡级染料池7之间的距离为1～10mm；第二输出端5与放大级染料池12之间的距离为10～30mm；第三输出端4与预放级染料池10之间的距离为5～15mm，优选为中间数值。
一分三光纤束2的输入端1中光纤13呈正多边形或者圆形紧密排布，如图2所示光纤13呈正多边形结构；第一输出端3、第二输出端5和第三输出端4中光纤13呈长条形排布，可以为矩形、梯形或平行四边形，子光纤束一15的输出端如图3所示，由两排光纤13排布成接近矩形，出口宽度为1cm；子光纤束三16的输出端，由两排光纤13排布成接近矩形，出口宽度为2cm；子光纤束二17的输出端由两排光纤13排布成接近矩形，出口宽度为3cm；子光纤束一15出射光束在振荡级染料池7处的光斑形状为近似矩形，尺寸为2*12mm；子光纤束二17出射光束在放大级染料池12处的光斑形状为近似矩形，尺寸为11*32mm；子光纤束三16出射光束在预放级染料池10处的光斑形状为近似矩形，尺寸为4*22mm。
本实施例染料激光器中反射腔镜6和输出输出腔镜8组成染料激光腔，凹透镜9和凸透镜11组成激光扩束系统，实现对振荡级染料激光进行扩束，扩束倍数为2-3倍。本实施例染料激光器所用染料为若丹明590，经过泵浦，输出波长为565nm脉冲染料激光。
本实施例染料激光器克服现有染料激光器体积大、不易移动、调试难度大、需要定期维护的问题。本实施例染料激光器通过采用光纤束传输泵浦激光，并通过设置不同数量光纤组成子光纤束分别泵浦振荡级、预放级和放大级的方法，实现了泵浦激光分束，通过设计光纤束输出端的空间形状，使输出激光光束在染料池处自然形成所需的光斑形状，通过设置子光纤束的长度实现同步泵浦。该设计大大减少了染料激光器中光学元器件的数量，有效提高了染料激光器的稳定性、易维护性，同时减小激光器的体积以利于移动和集成。
实施例二
与实施例一不同之处在于：如图5所示，第一输出端3、第二输出端5和第三输出端4中光纤13由三排光纤排布，整体呈长条形分布，且长条形两端部呈三角形结构。
以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并不将本发明的技术方案限制于此，本领域技术人员在本发明主要技术构思的基础上所作的任何公知变形都属于本发明所要保护的技术范畴。

Claims (10)

1.一种染料激光器，包括一线式的振荡级染料池(7)和放大级染料池(12)，其特征在于：还包括光纤束(2)；
所述光纤束(2)由多根多模光纤组成，光纤束(2)包括输入端(1)、第一输出端(3)、第二输出端(5)；
所述输入端(1)用于与泵浦激光连接；
所述第一输出端(3)的出射光束沿水平传输至振荡级染料池(7)处，且该光束的出射方向与振荡级染料池(7)的光轴共面；
所述第二输出端(5)出射光束沿水平传输至放大级染料池(12)处，且该光束的出射方向与放大级染料池(12)的光轴共面；
所述振荡级染料池(7)和放大级染料池(12)之间设有输出腔镜(8)、凹透镜(9)、凸透镜(11)；
所述第一输出端(3)的出射光束依次经过振荡级染料池(7)、输出腔镜(8)、凹透镜(9)、凸透镜(11)后与第二输出端(5)的出射光束同时到达放大级染料池(12)。
2.根据权利要求1所述染料激光器，其特征在于：还包括设置在凹透镜(9)和凸透镜(11)之间的预放级染料池(10)；
所述光纤束(2)还包括第三输出端(4)，第三输出端(4)的出射光束沿水平传输至预放级染料池(10)处，且该光束的出射方向与预放级染料池(10)的光轴共面；
所述第一输出端(3)的出射光束依次经过振荡级染料池(7)、输出腔镜(8)、凹透镜(9)后与第三输出端(4)的出射光束同时到达预放级染料池(10)；
所述第三输出端(4)的出射光束依次经过预放级染料池(10)、凸透镜(11)后与第二输出端(5)的出射光束同时到达放大级染料池(12)。
3.根据权利要求2所述染料激光器，其特征在于：所述光纤束(2)为一分三光纤束，输入端(1)与第一输出端(3)形成子光纤束一(15)，输入端(1)与第二输出端(5)形成子光纤束二(17)，输入端(1)与第三输出端(4)形成子光纤束三(16)；
所述子光纤束一(15)与子光纤束二(17)的分束比为：1:18～1:22；
所述子光纤束一(15)与子光纤束三(16)的分束比为：1:4～1:6。
4.根据权利要求3所述染料激光器，其特征在于：
所述第一输出端(3)与振荡级染料池(7)之间的距离为1～10mm；
所述第三输出端(4)与预放级染料池(10)之间的距离为5～15mm；
所述第二输出端(5)与放大级染料池(12)之间的距离为10～30mm。
5.根据权利要求4所述染料激光器，其特征在于：所述光纤束(2)的输入端(1)中光纤(13)呈正多边形紧密排布；
所述光纤束(2)的第一输出端(3)、第二输出端(5)、第三输出端(4)中光纤(13)均呈长条形分布。
6.根据权利要求5所述染料激光器，其特征在于：所述子光纤束一(15)、子光纤束三(16)、子光纤束二(17)的长度分别为42cm、113cm、139cm。
7.根据权利要求6所述染料激光器，其特征在于：所述子光纤束一(15)的输出端由两排光纤(13)排列成平行四边形，其出口宽度为1cm；
所述子光纤束二(17)的输出端由两排光纤(13)排列成平行四边形，其出口宽度为3cm；
所述子光纤束三(16)的输出端由两排光纤(13)排列成平行四边形，其出口宽度为2cm。
8.根据权利要求7所述染料激光器，其特征在于：所述子光纤束一(15)出射光束在振荡级染料池(7)处的光斑形状尺寸为2*12mm；
所述子光纤束三(16)出射光束在预放级染料池(10)处的光斑形状尺寸为4*22mm；
所述子光纤束二(17)出射光束在放大级染料池(12)处的光斑形状尺寸为11*32mm。
9.根据权利要求8所述染料激光器，其特征在于：所述一分三光纤束中光纤(13)为200um石英多模光纤。
10.根据权利要求9所述染料激光器，其特征在于：所述振荡级染料池(7)光路上设有反射腔镜(6)，所述反射腔镜(6)与输出腔镜(8)分别位于振荡级染料池(7)的两侧。
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