CN114188800B - 一种非对称式流动气体受激拉曼散射变频装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及拉曼激光技术领域，具体地说是一种非对称式流动气体受激拉曼散射变频装置，其中气体循环主管路为密闭管路且一侧为气流驱动段、另一侧为通光段，气流驱动段设有气流驱动装置，通光段一端与输入导光臂同轴连接、另一端与输出导光臂同轴连接，且输入导光臂位于通光段外侧一端设有激光输入腔镜、位于通光段内部一端设有输入隔离光学窗，输出导光臂连接通光段一端设有向外倾斜的输出隔离光学窗、远离通光段一端设有激光输出腔镜，气体循环主管路一端设有导流平衡管与输出导光臂连通。本发明使拉曼介质循环流动且通光段保持较好的层流状态，既保证散热，也减少激光光路偏折畸变等情况，可用于大功率或较高重复频率激光的拉曼变频。
Description
技术领域
本发明涉及拉曼激光技术领域，具体地说是一种非对称式流动气体受激拉曼散射变频装置。
背景技术
受激拉曼散射技术是一种常见的激光变频方法，其优点在于装置设计简单，调试便捷，可以选择的受激拉曼介质多样，不同的拉曼介质对泵浦激光的光谱移动范围不同，如固体可以产生几十几百个波数的移动，而气体拉曼介质可以产生上千个波数的频移，所以使用拉曼变频的变换跨度比较大，可变波长丰富。目前常用的拉曼介质有晶体(如：金刚石，SrWO4)、液体(如：H2O，CS2，C6H6)和气体(如：H2，CH4)，其中气体拉曼介质所产生的受激拉曼频移大，损伤阈值低，可用于大功率激光的波长变换，因此在多个领域获得了广泛应用。
在采用气体介质的拉曼变频装置中，激光聚焦位置处产生的热效应可以随着气体分子的运动而扩散，因此可以在一定的重复频率范围内保持拉曼变频装置的性能稳定。但是当受激拉曼变频过程中产生的热量较多或者使用的激光重复频率较高时，在激光聚焦位置处产生的热量就可能无法及时扩散出去，因此导致拉曼变频效率下降、光束漂移或者产生热畸变等不良后果，其原因包括热效应导致的拉曼池内气体密度不均匀(如热透镜效应)，或者温度不一导致的气体分子无序流动产生局部涡流等。这导致受激拉曼散射变频装置只能工作在较低的重复频率，或者无法适用于较大功率激光的拉曼变频。
发明内容
本发明的目的在于提供一种非对称式流动气体受激拉曼散射变频装置，使拉曼介质循环流动且流动管路中的通光段保持较好的层流状态，在保证有效散热的同时，也减少气流不均匀或涡流导致的泵浦激光和拉曼激光的光路偏折畸变等情况，使发明可以用于大功率或较高重复频率激光的拉曼变频。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种非对称式流动气体受激拉曼散射变频装置，包括气体循环主管路、气流驱动装置、输入导光臂和输出导光臂，所述气体循环主管路为密闭管路且一侧为气流驱动段、另一侧为通光段，所述气流驱动段设有气流驱动装置，所述通光段一端与所述输入导光臂同轴连接、另一端与所述输出导光臂同轴连接，且所述输入导光臂位于通光段外的一端设有激光输入腔镜、位于通光段内的一端设有输入隔离光学窗，所述输出导光臂连接通光段一端设有向外倾斜的输出隔离光学窗、远离通光段一端设有激光输出腔镜，所述气体循环主管路一端设有导流平衡管与所述输出导光臂连通。
所述气体循环主管路包括气流驱动段、通光段、弯管段和连接段，所述气流驱动段端部以及所述通光段端部分别通过弯管段与对应侧连接段的对应端部连接。
所述导流平衡管远离所述输出导光臂一端与同侧相邻的弯管段连接。
所述输入隔离光学窗竖直密封安装于所述输入导光臂位于通光段内的一端，所述输出隔离光学窗向外倾斜并且与竖直方向的夹角为α，所述α为50～65度。
所述输入隔离光学窗和输出隔离光学窗均为平面光学窗口，并且均采用厚度<3mm的薄光学元件。
所述激光输入腔镜为聚焦透镜，两侧镀有泵浦激光增透膜和拉曼激光高反膜，所述激光输出腔镜两侧镀有泵浦激光和拉曼激光增透膜。
所述激光输入腔镜的焦距为f，所述激光输入腔镜与激光输出腔镜之间距离为L，f和L满足0.45L≤f≤0.6L。
本发明的优点与积极效果为：
1、本发明利用气体循环结构使拉曼介质在拉曼变频装置内循环流动，并通过适当的管路设计，使气体循环主管路中供激光穿过的通光段部分保持较好的层流状态，不产生或仅产生极少量涡流，在保证有效散热的同时，使泵浦激光和拉曼激光在气体层流区域内穿过，减少气流不均匀或涡流导致的光路偏折畸变等，使本发明可以用于大功率较高重复频率激光的拉曼变频，本发明提高了拉曼变频装置在大功率激光领域的变频效果和稳定性，扩展了受激拉曼散射变频技术的应用范围。
2、本发明仅在气体循环主管路的输出侧设置导流平衡管、输出导光臂和倾斜的输出隔离光学窗，输入导光臂是直接插入通光段中，并且输入隔离光学窗竖直密封安装于输入导光臂位于通气段内的一端端部，整体结构更加简化。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
其中，1为气体循环主管路，101为气流驱动段，102为通光段，103为弯管段，104为连接段，2为气流驱动装置，3为激光输入腔镜，4为输入导光臂，5为输入隔离光学窗，6为输出隔离光学窗，7为输出导光臂，8为激光输出腔镜，9为导流平衡管。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详述。
如图1所示，本发明包括气体循环主管路1、气流驱动装置2、输入导光臂4和输出导光臂7，所述气体循环主管路1为密闭管路，且所述气体循环主管路1一侧为气流驱动段101、另一侧为通光段102，所述气流驱动段101设有气流驱动装置2用于驱动气流在所述气体循环主管路1内循环流动，所述气流驱动装置2为风扇、轴流风机或气泵等能驱动气体流动的装置，所述通光段102一端与所述输入导光臂4同轴连接、另一端与所述输出导光臂7同轴连接，且所述输入导光臂4位于所述通光段102外侧一端设有激光输入腔镜3，所述输入导光臂4位于所述通光段102内部一端设有输入隔离光学窗5，所述输出导光臂7连接所述通光段102一端设有输出隔离光学窗6，且所述输出隔离光学窗6向外倾斜，所述输出导光臂7远离所述通光段102一端设有激光输出腔镜8，在所述气体循环主管路1一端设有导流平衡管9与所述输出导光臂7连通。
如图1所示，所述气体循环主管路1包括气流驱动段101、通光段102、弯管段103和连接段104，所述气流驱动段101端部以及所述通光段102端部分别通过弯管段103与对应侧连接段104的对应端部连接，从而形成一个密闭的循环管路。所述气体循环主管路1为中空圆管，且内壁光滑无毛刺或凸起，以保持管路内部气体流场均匀，并且通光段102部分保持较好的层流状态，不产生或仅产生极少量涡流。另外所述气体循环主管路1设有可启闭的充气口用于充装气体。
如图1所示，所述导流平衡管9远离所述输出导光臂7一端与同侧相邻的弯管段103连接。所述导流平衡管9保证所述输出隔离光学窗6两侧气压一致，进而保证所述输出隔离光学窗6不承压。如图1所示，所述导流平衡管9为弯管。
如图1所示，所述输入隔离光学窗5竖直设置并与所述输入导光臂4位于通光段102内的一端密封连接，以避免气体泄漏，所述输出隔离光学窗6向外倾斜并且与竖直方向的夹角为α，所述α为50～65度。
所述输入隔离光学窗5和输出隔离光学窗6均为平面光学窗口，并且为减小光学窗口导致的光路偏折，均采用厚度<3mm的薄光学元件。
如图1所示，所述激光输入腔镜3为聚焦透镜，两侧镀有泵浦激光增透膜和拉曼激光高反膜，所述激光输出腔镜8两侧镀有泵浦激光和拉曼激光增透膜。所述增透膜和高反膜均为本领域公知技术。
如图1所示，所述激光输入腔镜3的焦距为f，所述激光输入腔镜3与激光输出腔镜8之间距离为L，所述f和L需满足0.45L≤f≤0.6L。
本发明的工作原理为：
本发明为解决高重频受激拉曼散射过程中出现的光畸变或转化效率降低的问题，设计了利用循环气流散热的流动气体受激拉曼散射变频装置，通过适当设计使管路中的通光段102保持较好的层流状态，在保证有效散热的同时，也减少气流不均匀或涡流导致的泵浦激光和拉曼激光的光路偏折畸变等，下面例举几个实施例说明。
实施例一：基于高压CO2的受激拉曼散射变频装置。
如图1所示，将压力为10atm的CO2气体充入到密闭的气体循环主管路1中，控制气流驱动装置2驱动高压CO2气体顺时针流动，气流经过一侧连接段104进入通光段102中，由通光段102输出后再由另一侧连接段104进入气流驱动段101中，形成循环流动。本实施例通过控制所述气流驱动装置2(风扇)的转速控制气体流速，以适应不同的散热需求，导流平衡管9将输出导光臂7和气体循环主管路1连通，以确保输出隔离光学窗6两侧的气压一致。
本实施例中，所述输入隔离光学窗5和输出隔离光学窗6均为2mm厚度的熔融石英平片，所述输出隔离光学窗6与竖直方向的夹角α为57度，用来减小激光透过隔离窗之后造成的光线偏折，所述激光输入腔镜3为熔融石英平凸透镜，直径为d＝25mm，焦距为0.55m，两侧均镀有1064nm增透膜和1249nm高反膜，激光输出腔镜8为熔融石英平面镜，两侧均镀有1064nm增透膜和1249nm增透膜，所述激光输入腔镜3和激光输出腔镜8之间的距离为1m。
本实施例采用输出电光调Q的Nd：YAG脉冲激光器作为泵浦激光光源，输出波长为1064nm，脉宽10ns，激光单脉冲能量为1J，激光工作重复频率可调，最高为20Hz。使用时将1064nm脉冲激光通过激光输入腔镜3入射到输入导光臂4，并依次经过输入隔离光学窗5、通光段103和输出隔离光学窗6后入射到输出导光臂7中，然后再经过激光输出腔镜8输出。1064nm激光经激光输入腔镜3后在通光段102的中间位置聚焦，并与焦点区域的高压CO2作用发生受激拉曼散射，产生1249nm的受激拉曼散射光，受激拉曼激光与剩余的1064nm泵浦光一起经激光输出腔镜8出射。
当气流驱动装置2不转动时，气体循环主管路1内的高压CO2气体不流动，激光器重复频率为1Hz时，本实施例可以正常稳定工作，激光拉曼转化效率不随时间降低，输出拉曼激光光束无抖动或变形。当激光器重复频率为2Hz时，本实施例可以正常稳定工作，激光拉曼转化效率不随时间降低，但输出拉曼激光光束出现轻微抖动和变形。当激光器重复频率为4Hz时，激光拉曼转化效率随时间降低，输出拉曼激光光束出现明显抖动，受激拉曼激光光斑也出现显著变形。当激光器重复频率再增大时，受激拉曼激光在几秒内即严重退化甚至无法工作。
当气流驱动装置2转动时，本实施例可以稳定工作的重复频率明显提高，如风速为2m/s时，当激光器重复频率为5Hz时，激光拉曼转化效率不随时间降低，输出拉曼激光光束无抖动或变形，当激光器重复频率为10Hz时，激光拉曼转化效率不随时间降低，输出拉曼激光光束出现微弱抖动和变形；风速为5m/s时，当激光器重复频率为10Hz时，激光拉曼转化效率不随时间降低，输出拉曼激光光束无抖动或变形，当激光器重复频率为20Hz时，激光拉曼转化效率不随时间降低，输出拉曼激光光束出现微弱抖动和变形。
实施例二，基于高压N2的受激拉曼散射变频装置。
如图1所示，将压力为10atm的N2气体充入到密闭的气体循环主管路1中，控制气流驱动装置2驱动高压N2气体顺时针流动，气流经过一侧连接段104进入通光段102中，由通光段102输出后再由另一侧连接段104进入气流驱动段101中，形成循环流动。本实施例通过控制所述气流驱动装置2(风扇)的转速控制气体流速，以适应不同的散热需求，导流平衡管9将输出导光臂7和气体循环主管路1连通，以确保输出隔离光学窗6两侧的气压一致。
本实施例中，所述输入隔离光学窗5和输出隔离光学窗6均为2mm厚度的熔融石英平片，所述输出隔离光学窗6与竖直方向的夹角α为57度，用来减小激光透过隔离窗之后造成的光线偏折，所述激光输入腔镜3为熔融石英平凸透镜，直径为d＝25mm，焦距为0.55m，两侧均镀有1064nm增透膜和1411nm高反膜，所述激光输出腔镜8为熔融石英平面镜，两侧均镀有1064nm增透膜和1411nm增透膜，所述激光输入腔镜3和激光输出腔镜8之间的距离为1m。
本实施例采用输出电光调Q的Nd：YAG脉冲激光器作为泵浦激光光源，输出波长为1064nm，脉宽10ns，激光单脉冲能量为1J，激光工作重复频率可调，最高为20Hz。使用时将1064nm脉冲激光通过激光输入腔镜3入射到输入导光臂4，并依次经过输入隔离光学窗5、通光段103和输出隔离光学窗6后入射到输出导光臂7中，然后再经过激光输出腔镜8输出。1064nm激光经激光输入腔镜3后在通光段102的中间位置聚焦，与焦点区域的高压N2作用下发生受激拉曼散射，产生1411nm的受激拉曼散射光，受激拉曼激光与剩余的1064nm泵浦光一起经激光输出腔镜8出射。
当气流驱动装置2不转动时，气体循环主管路1内的高压N2气体不流动，激光器重复频率为2Hz时，本实施例可以正常稳定工作，激光拉曼转化效率不随时间降低，输出拉曼激光光束无抖动或变形。当激光器重复频率为3Hz时，本实施例可以正常稳定工作，激光拉曼转化效率不随时间降低，但输出拉曼激光光束出现轻微抖动和变形。当激光器重复频率为5Hz时，激光拉曼转化效率随时间降低，输出拉曼激光光束出现明显抖动，受激拉曼激光光斑也出现显著变形。当激光器重复频率再增大时，受激拉曼激光在几秒内即严重退化甚至无法工作。
当气流驱动装置2转动时，本实施例可以稳定工作的重复频率明显提高，如风速为2m/s时，当激光器重复频率为5Hz时，激光拉曼转化效率不随时间降低，输出拉曼激光光束无抖动或变形，当激光器重复频率为10Hz时，激光拉曼转化效率不随时间降低，输出拉曼激光光束出现微弱抖动和变形；风速为5m/s时，当激光器重复频率为15Hz时，激光拉曼转化效率不随时间降低，输出拉曼激光光束无抖动或变形，当激光器重复频率为30Hz时，激光拉曼转化效率不随时间降低，输出拉曼激光光束出现微弱抖动和变形。
实施例三，基于高压N2的受激拉曼散射变频装置。
如图1所示，将压力为10atm的N2气体充入到密闭的气体循环主管路1中，控制气流驱动装置2驱动高压N2气体顺时针流动，气流经过一侧连接段104进入通光段102中，由通光段102输出后再由另一侧连接段104进入气流驱动段101中，形成循环流动。本实施例通过控制所述气流驱动装置2(风扇)的转速控制气体流速，以适应不同的散热需求，导流平衡管9将输出导光臂7和气体循环主管路1连通，以确保输出隔离光学窗6两侧的气压一致。
本实施例中，所述输入隔离光学窗5和输出隔离光学窗6均为2mm厚度的熔融石英平片，所述输出隔离光学窗6与竖直方向的夹角α为57度，用来减小激光透过隔离窗之后造成的光线偏折，所述激光输入腔镜3为熔融石英平凸透镜，直径为d＝25mm，焦距为0.55m，两侧均镀有532nm增透膜和607nm高反膜，所述激光输出腔镜8为熔融石英平面镜，两侧均镀有532nm增透膜和607nm增透膜，所述激光输入腔镜3和激光输出腔镜8之间的距离为1m。
本实施例采用输出电光调Q的Nd：YAG脉冲激光器作为泵浦激光光源，输出波长为532nm，脉宽10ns，激光单脉冲能量为1J，激光工作重复频率可调，最高为20Hz。使用时将532nm脉冲激光通过激光输入腔镜3入射到输入导光臂4，并依次经过输入隔离光学窗5、通光段103和输出隔离光学窗6后入射到输出导光臂7中，然后再经过激光输出腔镜8输出。532nm激光经激光输入腔镜3后在通光段102的中间位置聚焦，与焦点区域的高压N2作用下发生受激拉曼散射，产生607nm的受激拉曼散射光，受激拉曼激光与剩余的532nm泵浦光一起经激光输出腔镜8出射。
当气流驱动装置2不转动时，气体循环主管路1内的高压N2气体不流动，激光器重复频率为2Hz时，本实施例可以正常稳定工作，激光拉曼转化效率不随时间降低，输出拉曼激光光束无抖动或变形。当激光器重复频率为5Hz时，本实施例可以正常稳定工作，激光拉曼转化效率不随时间降低，但输出拉曼激光光束出现轻微抖动和变形。当激光器重复频率为6Hz时，激光拉曼转化效率随时间降低，输出拉曼激光光束出现明显抖动，受激拉曼激光光斑也出现显著变形。当激光器重复频率再增大时，受激拉曼激光在几秒内即严重退化甚至无法工作。
当气流驱动装置2转动时，本实施例可以稳定工作的重复频率明显提高，如风速为2m/s时，当激光器重复频率为5Hz时，激光拉曼转化效率不随时间降低，输出拉曼激光光束无抖动或变形，当激光器重复频率为8Hz时，激光拉曼转化效率不随时间降低，输出拉曼激光光束出现微弱抖动和变形；风速为5m/s时，当激光器重复频率为20Hz时，激光拉曼转化效率不随时间降低，输出拉曼激光光束无抖动或变形，当激光器重复频率为30Hz时，激光拉曼转化效率不随时间降低，输出拉曼激光光束出现微弱抖动和变形。
Claims (7)
1.一种非对称式流动气体受激拉曼散射变频装置，其特征在于：包括气体循环主管路(1)、气流驱动装置(2)、输入导光臂(4)和输出导光臂(7)，所述气体循环主管路(1)为密闭管路且一侧为气流驱动段(101)、另一侧为通光段(102)，所述气流驱动段(101)设有气流驱动装置(2)，所述通光段(102)一端与所述输入导光臂(4)同轴连接、另一端与所述输出导光臂(7)同轴连接，且所述输入导光臂(4)位于通光段(102)外的一端设有激光输入腔镜(3)、位于通光段(102)内的一端设有输入隔离光学窗(5)，所述输出导光臂(7)连接通光段(102)一端设有向外倾斜的输出隔离光学窗(6)、远离通光段(102)一端设有激光输出腔镜(8)，所述气体循环主管路(1)一端设有导流平衡管(9)与所述输出导光臂(7)连通。
2.根据权利要求1所述的非对称式流动气体受激拉曼散射变频装置，其特征在于：所述气体循环主管路(1)包括气流驱动段(101)、通光段(102)、弯管段(103)和连接段(104)，所述气流驱动段(101)端部以及所述通光段(102)端部分别通过弯管段(103)与对应侧连接段(104)的对应端部连接。
3.根据权利要求2所述的非对称式流动气体受激拉曼散射变频装置，其特征在于：所述导流平衡管(9)远离所述输出导光臂(7)一端与同侧相邻的弯管段(103)连接。
4.根据权利要求1所述的非对称式流动气体受激拉曼散射变频装置，其特征在于：所述输入隔离光学窗(5)竖直密封安装于所述输入导光臂(4)位于通光段(102)内的一端，所述输出隔离光学窗(6)向外倾斜并且与竖直方向的夹角为α，所述α为50～65度。
5.根据权利要求1所述的非对称式流动气体受激拉曼散射变频装置，其特征在于：所述输入隔离光学窗(5)和输出隔离光学窗(6)均为平面光学窗口，并且均采用厚度<3mm的薄光学元件。
6.根据权利要求1所述的非对称式流动气体受激拉曼散射变频装置，其特征在于：所述激光输入腔镜(3)为聚焦透镜，两侧镀有泵浦激光增透膜和拉曼激光高反膜，所述激光输出腔镜(8)两侧镀有泵浦激光和拉曼激光增透膜。
7.根据权利要求6所述的非对称式流动气体受激拉曼散射变频装置，其特征在于：所述激光输入腔镜(3)的焦距为f，所述激光输入腔镜(3)与激光输出腔镜(8)之间距离为L，f和L满足0.45L≤f≤0.6L。
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Citations (5)
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| EP0408974A2 (de) * | 1989-07-18 | 1991-01-23 | ELTRO GmbH Gesellschaft für Strahlungstechnik | Laservorrichtung mit Ramanzelle |
| JP2010171145A (ja) * | 2009-01-21 | 2010-08-05 | Fanuc Ltd | ガスレーザ発振器 |
| CN106253047A (zh) * | 2016-09-13 | 2016-12-21 | 中国人民解放军国防科学技术大学 | 可调谐中红外光纤混合气体级联拉曼激光器 |
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2020
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Patent Citations (5)
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