CN112397986B - 一种轮转式拉曼池的拉曼激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种轮转式拉曼池的拉曼激光器，将一台输出波长稳定的重频激光器作为泵浦源，泵浦光注入多腔气体拉曼池中，多腔气体拉曼池通过齿轮与驱动装置连接，拉曼池出口处安装一个光电二极管探测器，泵浦光经拉曼池后通过二向色镜反射到光电二极管探测器，光电二极管的反馈信号通过信号发生器后分别反馈给泵浦光激光器和驱动装置。驱动装置驱动拉曼池旋转使光路中的气室进行快速切换，降低实验过程中热效应负面影响，实现以气体为拉曼介质的重频拉曼激光器，从而提高泵浦光转换效率。

Description

一种轮转式拉曼池的拉曼激光器
技术领域
本发明属于激光变频领域，具体涉及一种旋转式气体拉曼池的高重频拉曼激光器，用于降低气体介质的热效应影响，提高输出激光重复频率。
背景技术
受激拉曼散射是一种改变激光波长的方法。相比与普通的自发拉曼散射，受激拉曼散射有以下新的特点，有明显的阈值性、有很好的方向性(定向性)、有很好的单色性以及散射光的强度很高。拉曼介质的类型也多种多样，晶体(如：钻石，SrWO4)、液体(如：CS2，C6H6)、气体(如：氢气，甲烷)都可以作为拉曼介质用于频率变换的研究，相较于其他状态的拉曼介质，气体介质具有损伤阈值高的优点，因此，为了获得某些新波长时，采用气体作为拉曼介质更加合适。
气体作为拉曼介质也有不足之处，常见的是热透镜效应对输出光束质量的影响，一份泵浦能量与气体介质作用，在产生拉曼散射光的同时还会释放出一份热量，每一次泵浦能量与气体介质相互作用产生的热量都会在封闭的拉曼池累加，即如果脉冲频率越高，拉曼池内中的气体没有足够的时间冷却，池子中心处热量比较多的时候，会导致比重小的气体向池子上方移动，最终使拉曼池中心处上下的折射率不一样，即下方折射率偏大，这种情况下，当光束通过拉曼池时会向折射率大的方向偏折，在打斑纸上的光斑不再是能量分布均匀的圆形光斑，降低输出光的光束质量。当激光重复频率变高，同一时间内输出的激光脉冲变多，产生的热量也变多热透镜现象更明显，光束质量更差。
针对上述情况，为了降低热效应的负面影响，有必要设计散热效果较好的气体拉曼池，在保证输出光束质量稳定的情况下提高泵浦激光的重复频率。
发明内容
基于背景技术，本发明的目的是提供一种轮转式拉曼池的拉曼激光器，该激光器结构设计新颖、可控性强，且能够有效降低热效应对激光波长转换效率的影响。本发明采取如下技术方案：
本发明提供一种拉曼激光器，包括泵浦激光器、上述多腔气体拉曼池、驱动装置、二向色镜、光电二极管探测器、信号发生器。所述多腔气体拉曼池固定在驱动装置上，通过驱动装置驱动拉曼池按一定转速旋转，泵浦激光器的泵浦光注入到多腔气体拉曼池中，在多腔气体拉曼池出光处经过二向色镜反射到光电二极管探测器上，光电二极管把反馈信号通过信号发生器分别传给泵浦激光器和驱动装置，通过信号发生器的作用，调节时间延时，使泵浦激光器与多腔气体拉曼池协同工作，协同工作是指使泵浦激光器泵浦激光的时间间隔与多腔气体拉曼池径向旋转的转速同步，使得每次的泵浦激光都能够准确的进入多腔气体拉曼池的圆柱形空腔。
优选的，所述拉曼池多腔气体拉曼池，为包括若干个横截面积相同的圆柱形空腔的不锈钢圆柱体，每个圆柱形空腔中心轴均平行于拉曼池的中心轴且按照圆周阵列。
优选的，所述拉曼池的圆柱形空腔还包括换气孔，用于拉曼池圆柱形空腔换气，所述拉曼池的每个圆柱形空腔还配有相应的气压表，气压表的量程为圆柱形空腔内气体压力的至少1.5倍。
优选的，所述泵浦激光器为频率大于50赫兹的重频激光器。
优选的，所述驱动装置为伺服驱动机。
优选的，所述多腔气体拉曼池的圆柱形空腔的横截面积至少为泵浦光的光斑面积的1.5倍，目的是为了从泵浦激光器出射的泵浦光能够完全进入圆柱形空腔，防止激光光路打到腔室内壁。
优选的，所述多腔气体拉曼池内的介质为气体且每个气腔内气压相同或不同，拉曼池内的介质气体为二氧化碳、氢气或甲烷等；每个腔室的气压优选不超过4MPa，更优选为1-3.5MPa。
优选的，所述二向色镜在激光入射面镀有泵浦光波长的45°高反膜，其余波长增透膜。
优选的，多腔气体拉曼池在工作一段时间后输出光斑质量下降，可以重新换气。
优选的，驱动装置的转速由泵浦激光的重复频率和多腔气体拉曼池上圆柱形空腔的数量决定，电机的转速等于泵浦激光重复频率除以圆柱形空腔的个数，单位:转/秒。例如：泵浦激光重复频率300Hz，拉曼池上有6个气腔，那么，电机的转速为50转/秒。优选的，所述多腔气体拉曼池固定在伺服驱动电机上，通过伺服驱动电机驱动拉曼池按一定转速旋转。
有益效果
(1)本发明的轮转式拉曼池的拉曼激光器，采用驱动装置驱动拉曼池匀速转动形式，快速切换与泵浦光相互作用的气体介质，减少介质中热量积累，提高泵浦光的重复频率；另外采用光电二极管接收信号光信号，通过调节时间延时使反馈信号同时触发泵浦激光器和伺服电机，使其同步工作，大大提高机械效率节约劳动力。
(2)本发明的拉曼激光器能够实现同一光路位置多气腔快速切换，降低实验过程中热效应负面影响，实现以气体为拉曼介质的高重频拉曼激光器，从而提高泵浦光转换效率。
附图说明
图1为本发明拉曼激光器的结构示意图。
图2为本发明多腔气体拉曼池的结构示意图；
其中，1.泵浦激光器，2.多腔气体拉曼池，3.驱动装置，4.二向色镜，5.光电二极管探测器，6.信号发生器，7.拉曼池气腔，8.齿轮，9.不锈钢池体。
具体实施方式
实施例1
本发明的轮转式拉曼池的拉曼激光器的结构示意图如图1所述，包括泵浦激光器1、多腔气体拉曼池2、驱动装置3、二向色镜4、光电二极管探测5和信号发生器6，二向色镜4的激光入射面镀有45°泵浦光波长的高反膜；多腔气体拉曼池2的结构如图2所示，包括不锈钢池体9作为圆柱体，不锈钢池体9内设置有6个空腔作为拉曼池气腔7，不锈钢池体的外侧圆周上设有齿轮8用于与驱动装置3固定，形成驱动。泵浦激光器1的泵浦光进行合束后注入到多腔气体拉曼池2中，在多腔气体拉曼池2出光处放置二向色镜4，泵浦光经过二向色镜4反射到光电二极管探测器5上，反馈信号通过信号处理器)分别传给泵浦激光器1和驱动装置3，通过信号处理器6作用，使泵浦激光器与多腔气体拉曼池同步工作。
实施例2
如图1所示，一种旋转式气体拉曼池的高重频拉曼激光器，其技术方案是：首先将波长1064nm高重复频率泵浦激光器固定，然后把各个气室充有相同气压氘气的多气腔旋转拉曼池放置在距离泵浦激光器一定距离处，拉曼池内共有6个通光路径，将泵浦激光器调到单脉冲模式，使激光光路从其中一个气室通过，拉曼池体上的齿轮与伺服电机转轴上的齿轮密切配合，在拉曼池出光口后放置一片45°二向色镜，二向色镜镀有高反膜@1064nm，剩余泵浦光经过分光镜后打到光电二极管探测器靶面上，光电二极管探测器产生的反馈信号传入到信号发生器，信号发生器分别与泵浦激光器和伺服电机连接，收到光电二极管的反馈信号后信号发生器产生具有特定重复频率、特定宽度的脉冲信号，该脉冲信号驱动泵浦激光器产生300Hz的泵浦激光，信号发生器还负责产生控制电机伺服机构的信号，使电机伺服机构通过齿轮驱动拉曼池按照50转/秒，使受激拉曼过程中产生的热量均匀分布到每个气腔中，在实验过程中，输出光斑质量明显变差，可停止激光器重新换气。
实施例3
如图1所示，一种轮转式气体拉曼池的高重频拉曼激光器，其技术方案是：首先将波长1064nm高重复频率泵浦激光器固定，根据实验需要把若干种气体介质分别充入拉曼池中不同的气腔中，各个气体腔中的气压可以不同，多气腔旋转拉曼池放置在距离泵浦激光器一定距离处，拉曼池内共有若干个通光路径，将泵浦激光器调到单脉冲模式，使激光光路从其中一个气室通过，拉曼池体上的齿轮与伺服电机转轴上的齿轮密切配合，在拉曼池出光口后放置一片45°分光片，分光片镀有高反膜@1064nm，剩余泵浦光经过分光镜后打到光电二极管探测器靶面上，光电二极管探测器产生的反馈信号传入到信号发生器，信号发生器分别与泵浦激光器和伺服电机连接，收到光电二极管的反馈信号后信号发生器产生具有特定重复频率、特定宽度的脉冲信号，该脉冲信号驱动泵浦激光器产生脉冲泵浦激光，信号发生器还负责产生控制电机伺服机构的信号，使电机伺服机构通过齿轮驱动拉曼池按一定转速转动，以此来实现对拉曼介质种类的快速切换，在泵浦光波长不变的情况下，通过改变拉曼介质种类，使激光器系统输出波长种类变得更丰富。

Claims (8)

1.一种拉曼激光器，其特征在于，包括泵浦激光器(1)、多腔气体拉曼池(2)、驱动装置(3)、二向色镜(4)、光电二极管探测器(5)、信号发生器(6)，所述多腔气体拉曼池(2)固定于驱动装置(3)上；泵浦激光器(1)的泵浦光注入到多腔气体拉曼池(2)中，在多腔气体拉曼池(2)出光处放置二向色镜(4)，泵浦光经过二向色镜(4)反射到光电二极管探测器(5)上，反馈信号通过信号发生器(6)分别传给泵浦激光器(1)和驱动装置(3)，通过信号发生器(6)作用，使泵浦激光器与多腔气体拉曼池协同工作；
所述协同工作是指使泵浦激光器泵浦激光的时间间隔与多腔气体拉曼池径向旋转的转速同步，使得每次的泵浦激光都能够准确的进入多腔气体拉曼池的圆柱形空腔。
2.根据权利要求1所述的拉曼激光器，其特征在于，所述多腔气体拉曼池(2)为包括若干个横截面积相同的圆柱形空腔的圆柱体，每个圆柱形空腔中心轴均平行于拉曼池的中心轴且按照圆周阵列排布；所述圆柱形空腔的两端均安装窗口片，所述窗口片包括基底和表面镀膜；所述基底为晶体材质镜片；所述镀膜为激光入射波长的增透膜。
3.根据权利要求1所述的拉曼激光器，其特征在于，所述多腔气体拉曼池还包括换气孔，用于拉曼池圆柱形空腔换气。
4.根据权利要求1所述的拉曼激光器，其特征在于，泵浦激光器(1)为大于50赫兹的重频激光器。
5.根据权利要求2所述的拉曼激光器，其特征在于，所述多腔气体拉曼池(2)的圆柱形空腔的横截面积至少为泵浦光光斑面积的1.5倍。
6.根据权利要求2所述的拉曼激光器，其特征在于，多腔气体拉曼池(2)的圆柱形空腔内的介质为气体；气体压力3.5MPa，所述气体为二氧化碳、氢气或甲烷。
7.根据权利要求1所述的拉曼激光器，其特征在于，所述二向色镜(4)在激光入射面镀有泵浦光波长的45°高反膜，所述二向色镜(4)在激光入射面镀有除泵浦光波长以外的其他波长增透膜。
8.根据权利要求1所述的拉曼激光器，其特征在于，驱动装置(3)的转速由泵浦激光的重复频率和多腔气体拉曼池(2)上圆柱形空腔的数量决定，电机的转速等于泵浦激光重复频率除以圆柱形空腔的个数，单位:转/秒。
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