CN1305182C

CN1305182C - 污染检测仪器的可调谐光源

Info

Publication number: CN1305182C
Application number: CNB2004100190820A
Authority: CN
Inventors: 丁欣; 姚建铨; 魏权夫; 邹雷; 温午麟; 于意仲
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2004-04-26
Filing date: 2004-04-26
Publication date: 2007-03-14
Anticipated expiration: 2024-04-26
Also published as: CN1570613A

Abstract

本发明公开了一种污染检测仪器的可调谐光源，包括在光路上依次连接的泵浦源、耦合聚焦透镜和钛宝石谐振腔；泵浦源由在光路上依次连接的第一平面反射镜、Q开关、激光二极管阵列、平面谐波镜、倍频晶体、第一平面输出镜组成。钛宝石谐振腔由在光路上依次连接的第二平面反射镜、钛宝石晶体、双折滤光片和第二平面输出镜组成。采用单片双折滤光片BF作为调谐元件，减小了插入损耗，压缩了谐振腔的尺寸，提高了激光器的可操作性。本发明应用于污染检测领域中，能够提供全固态、准连续、可调谐的激光光源，其结构紧凑、运行可靠、维护更为简便，空间分辨率高，检测距离长，重复频率高、频率的稳定性好。

Description

污染检测仪器的可调谐光源

技术领域

本发明属于一种激光光源，尤其是可调谐的激光光源，应用于污染检测领域中。

背景技术

以往采用的闪光灯、荧光灯、卤素灯、高压钠灯、连续的CO₂激光器、脉冲XeCl准分子激光器、532nm和355nmNd:YAG激光器，空间分辨率不高，检测距离不长，重复频率不高、频率的稳定性不好，装置比比较复杂，难以适应科学研究、工业生产领域对激光仪器提出的更高要求，尤其是难以满足污染检测领域的要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，解决上述现有技术中的不足，提供一种全固态、准连续、可调谐的激光光源，其结构更为紧凑、运行更为可靠、维护更为简便，空间分辨率高，检测距离长，重复频率高、频率的稳定性好。

为解决上述技术问题，本发明的污染检测仪器的可调谐光源，包括在光路上依次连接的泵浦源、耦合聚焦透镜和钛宝石谐振腔；所述泵浦源由在光路上依次连接的第一平面反射镜、Q开关、激光二极管阵列、平面谐波镜、倍频晶体、第一平面输出镜组成，第一平面反射镜与第一平面输出镜组成泵浦源的平-平腔结构，平面谐波镜与第一平面输出镜组成了倍频腔，激光二极管阵列按照等边三角形排列，采用侧向泵浦的方式泵浦激光介质；所述钛宝石谐振腔由在光路上依次连接的第二平面反射镜、钛宝石晶体、双折滤光片和第二平面输出镜组成，第二平面反射镜与第二平面输出镜构成谐振腔的平-平腔结构，钛宝石晶体放置于钛宝石谐振腔内泵浦光的焦点处，钛宝石晶体中心轴线垂直于其晶轴，所述的双折滤光片以布鲁斯特角放置于腔内。

所述泵浦源与耦合聚焦透镜之间设置有第一全反射镜和第二全反射镜；所述耦合透镜的焦距为100mm。

所述泵浦源的平-平腔结构的腔长为330mm。

所述的第一平面镜，为镀基频光1064nm全反膜；所述的平面谐波镜为镀基频光增透膜，532nm倍频光全反膜；第一平面输出镜为镀基频光高反膜，倍频光高透膜。

所述激光二极管阵列的激光介质的掺杂浓度为1％的Nd:YAG作为产生1064nm基频光的激光介质，尺寸为φ3×65mm，侧面打毛，增加泵浦光的吸收，两端面磨平，镀基频光增透膜。

所述倍频晶体为KTP晶体，采用II类相位匹配，切割角为φ＝23.6°，θ＝90°，尺寸为5×5×10mm，两面镀基频光和倍频光的增透膜。

所述的Q开关的晶体为8×10×50mm的熔石英，其调制频率为2～30KHz。

所述钛宝石谐振腔为平-平腔结构，腔长为150mm；第二平面反射镜为镀泵浦光增透膜，750～850nm全反膜；第二平面输出镜为750～850nm半透膜，透过率为15％。

所述钛宝石谐振腔为平-平腔结构，腔长为150mm；第二平面反射镜为镀泵浦光增透膜，850～950nm全反膜；第二平面输出镜为850～950nm半透膜，透过率为10％。

所述钛宝石晶体尺寸5×5×16mm，钛宝石晶体的两通光表面的法线与晶轴处于同一平面内，泵浦光与通光表面的法线夹角约为60°。

与现有技术相比，本发明的污染检测仪器的可调谐光源具有以下有效果：(1)由于采用二极管激光器泵浦的、准连续、532nm内腔倍频Nd:YAG激光器(一级激光装置)作为钛宝石谐振腔(二级激光装置)的泵浦源，能够缩小了整个装置的体积，提高了系统的电-光转换效率，获得更高的光束参数；(2)本发明的污染检测仪器的可调谐光源空间分辨率更高，检测距离更长，重复频率更高、脉宽更窄、频率的稳定性更好、使用寿命更长，装置更加简单紧凑，运行更稳定；(3)在一级激光装置中加入Q-开关对基频光进行调制，能提高一级激光装置的输出峰值功率；(4)利用两片532nm波段45°全反镜和一个凸透镜作为耦合系统，采用简单的平-平腔结构来实现钛宝石激光器的谐振腔(二级激光装置)，能够提高耦合效率，同时降低调整光路的难度；(5)在钛宝石激光器的谐振腔(二级激光装置)中采用单片双折滤光片BF作为调谐元件，减小了插入损耗，压缩了谐振腔的尺寸，提高了激光器的可操作性。

附图说明

图1是本发明的污染检测仪器的可调谐光源的原理图；

图2是本发明的激光二极管阵列的三角形排列结构图；

图3是本发明的钛宝石晶体图。

附图标记：

1泵浦源 2钛宝石谐振腔 3第一全反射镜 4第二全反射镜

5耦合聚焦透镜 11第一平面反射镜 12Q开关 13激光二极管阵列

14平面谐波镜 15倍频晶体 16第一平面输出镜 21第二平面反射镜

22钛宝石晶体 23双折滤光片BF 24第二平面输出镜

具体实施方式

以下结合附图对本发明的污染检测仪器的可调谐光源作详细说明。

图1示出了本发明的污染检测仪器的可调谐光源的原理图，在本发明的的第一种实施方式中，污染检测仪器的可调谐光源包括在光路上依次连接的泵浦源1、耦合聚焦透镜5和钛宝石谐振腔2。泵浦源1由在光路上依次连接的第一平面反射镜11、Q开关12、激光二极管阵列13、平面谐波镜14、倍频晶体15、第一平面输出镜16组成。第一平面反射镜11和第一平面输出镜16构成了泵浦源1的平-平腔结构，腔长为330mm。平面谐波镜14和第一平面输出镜16组成了倍频晶体KTP15的倍频腔。腔镜的参数如下：第一平面反射镜11是平面镜，镀基频光1064nm全反膜；平面谐波镜14是平面谐波镜，镀基频光增透膜，532nm倍频光全反膜；第一平面输出镜16是平面镜，镀基频光高反膜，倍频光高透膜。激光二极管阵列13作为最初的光学泵浦源，按照等边三角形排列，采用侧向泵浦的方式泵浦激光介质，具体结构见图2。掺杂浓度为1％的Nd:YAG作为产生1064nm基频光的激光介质，尺寸为φ3×65mm，侧面打毛，增加泵浦光的吸收，两端面磨平，镀基频光增透膜。倍频晶体15采用KTP晶体，采用II类相位匹配，切割角为φ＝23.6°，θ＝90°，尺寸为5×5×10mm，两面镀基频光和倍频光的增透膜。Q开关器件由英国NEOS公司生产，其中晶体为8×10×50mm的熔石英，调制频率为2～30KHz。Q-开关用于对基频光进行调制，能提高一级激光装置的输出峰值功率。

本发明中，KTP的全称为钛氧磷酸钾，Q-开关的全称为为光量开关，Ti：sapphire的全称为为掺钛蓝宝石，M²的全称为为光束质量因子，Nd:YAG的全称为掺钕钇铝石榴石。图2中，LD stacked array为激光二极管多层阵列，Cylindrical lens为圆柱形透镜，Flow tube为流管，Nd:YAG rod为Nd:YAG棒，HR coating为高反膜。

泵浦源1与耦合聚焦透镜5之间设置有第一全反射镜3和第二全反射镜4，耦合透镜5的焦距为100mm。第一全反射镜3和第二全反射镜4为532nm波段45°全反镜，532nm泵浦光通过第一全反射镜3、第二全反射镜4和耦合聚焦透镜5进入谐振腔2。

钛宝石谐振腔2由在光路上依次连接的第二平面反射镜21、钛宝石晶体22、双折滤光片23和第二平面输出镜24组成第二平面反射镜21与第二平面输出镜24构成谐振腔2的平-平腔结构，钛宝石谐振腔2的平-平腔结构的腔长为150mm。腔镜参数如下：第二平面反射镜21为平面镜，镀泵浦光增透膜，750～850nm全反膜，第二平面输出镜24为平面镜，镀750～850nm半透膜，透过率为15％。钛宝石晶体22的晶体尺寸5×5×16mm，放置于钛宝石谐振腔2内泵浦光的焦点处，由一个水冷装置冷却。钛宝石晶体22中心轴线垂直于其晶轴，两通光端面以布鲁斯特角切割，且使两通光表面的法线与晶轴处于同一平面内，泵浦光与通光表面的法线夹角约为60°，如图3所示。单片双折滤光片BF23以布鲁斯特角放置于钛宝石谐振腔内。在钛宝石激光器的谐振腔(二级激光装置)中采用单片双折滤光片BF作为调谐元件，可以减小了插入损耗，压缩了谐振腔的尺寸，提高了激光器的可操作性。

本发明的的第二种实施方式，与第一种实施方式不同之处在于，第二平面反射镜21为镀泵浦光增透膜，850～950nm全反膜；第二平面输出镜24为850～950nm半透膜，透过率为10％。

本发明的可调谐光源的产生过程为：首先，LD(激光二极管)阵列产生808nm附近的激光，泵浦Nd:YAG(掺钕钇铝石榴石)棒，产生基频光(1064nm激光)，经过KTP晶体倍频产生绿光倍频光(532nm激光)，同时Q-开关对激光进行调制，输出大功率、准连续绿光。经过两个45°532nm全反镜和透镜L，绿光被耦合入钛宝石谐振腔中。绿光以布鲁斯特角入射入钛宝石晶体，经过单片BF(双折射滤光片)调谐，输出在750～950nm波段范围内，波长连续可调的准连续钛宝石激光。

本发明采用二极管激光器泵浦的、准连续、532nm内腔倍频Nd:YAG激光器作为一级

激光装置，能够获得更高的泵浦功率，泵浦功率可以达到30W，可以大大的缩小激光光源的体积，整个装置的尺寸为400mm×300mm；本发明的污染检测仪器的可调谐光源，全固态、高功率、高光束质量、准连续、可调谐的钛宝石激光光源的输出功率最大为3W，大大高于其他连续检测光源，钛宝石激光光源的重复频率为10KHz，大大高于脉冲检测光源；本发明的调谐范围为750～950nm，输出线宽为2nm，M²＜5，钛宝石激光脉冲宽度＜80ns；可调谐的钛宝石激光光源的输出功率稳定度为5％。

以二极管激光器泵浦的、准连续、532nm内腔倍频Nd:YAG作为泵浦源(一级激光装置)，泵浦钛宝石晶体谐振腔(二级激光装置)，实现全固态、高功率、高光束质量、准连续、可调谐的钛宝石激光光源，不仅在科学研究领域有着重要的学术价值，而且在工业生产和军事领域还有极其重要的现实意义。尤其是作为一种结构更为紧凑、运行更为可靠、维护更为简便的新型光源，本专利对于污染检测等领域有着极其广阔的应用前景。

Claims

1、一种污染检测仪器的可调谐光源，其特征是，包括在光路上依次连接的泵浦源、耦合聚焦透镜和钛宝石谐振腔；所述泵浦源由在光路上依次连接的第一平面反射镜、Q开关、激光二极管阵列、平面谐波镜、倍频晶体、第一平面输出镜组成，第一平面反射镜与第一平面输出镜组成泵浦源的平-平腔结构，平面谐波镜与第一平面输出镜组成了倍频腔，激光二极管阵列按照等边三角形排列，采用侧向泵浦的方式泵浦激光介质；所述钛宝石谐振腔由在光路上依次连接的第二平面反射镜、钛宝石晶体、双折滤光片和第二平面输出镜组成，第二平面反射镜与第二平面输出镜构成谐振腔的平-平腔结构，钛宝石晶体放置于钛宝石谐振腔内泵浦光的焦点处，钛宝石晶体中心轴线垂直于其晶轴，所述的双折滤光片以布鲁斯特角放置于腔内。

2、根据权利要求1所述的一种污染检测仪器的可调谐光源，其特征是，所述泵浦源与耦合聚焦透镜之间设置有第一全反射镜和第二全反射镜；所述耦合透镜的焦距为100mm。

3、根据权利要求1所述的一种污染检测仪器的可调谐光源，其特征是，所述泵浦源的平-平腔结构的腔长为330mm。

4、根据权利要求1所述的一种污染检测仪器的可调谐光源，其特征是，所述的第一平面镜，为镀基频光1064nm全反膜；所述的平面谐波镜为镀基频光增透膜，532nm倍频光全反膜；第一平面输出镜为镀基频光高反膜，倍频光高透膜。

5、根据权利要求1所述的一种污染检测仪器的可调谐光源，其特征是，所述激光二极管阵列的激光介质的掺杂浓度为1％的Nd:YAG作为产生1064nm基频光的激光介质，尺寸为φ3×65mm，侧面打毛，增加泵浦光的吸收，两端面磨平，镀基频光增透膜。

6、根据权利要求1所述的一种污染检测仪器的可调谐光源，其特征是，所述倍频晶体为KTP晶体，采用II类相位匹配，切割角为φ＝23.6°，θ＝90°尺寸为5×5×10mm，两面镀基频光和倍频光的增透膜。

7、根据权利要求1所述的一种污染检测仪器的可调谐光源，其特征是，所述的Q开关的晶体为8×10×50mm的熔石英，其调制频率为2～30KHz。

8、根据权利要求1所述的一种污染检测仪器的可调谐光源，其特征是，所述钛宝石谐振腔为平-平腔结构，腔长为150mm；第二平面反射镜为镀泵浦光增透膜，750～850nm全反膜；第二平面输出镜为750～850nm半透膜，透过率为15％。

9、根据权利要求1所述的一种污染检测仪器的可调谐光源，其特征是，所述钛宝石谐振腔为平-平腔结构，腔长为150mm；第二平面反射镜为镀泵浦光增透膜，850～950nm全反膜；第二平面输出镜为850～950nm半透膜，透过率为10％。

10、根据权利要求1所述的一种污染检测仪器的可调谐光源，其特征是，所述钛宝石晶体尺寸5×5×16mm，钛宝石晶体的两通光表面的法线与晶轴处于同一平面内，泵浦光与通光表面的法线夹角约为60°。