CN112186494A - 一种co2级联紫外拉曼激光器 - Google Patents

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郑天成
郭敬为
蔡向龙
沈陈诚
李仲慧
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    • H01S3/30—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range using scattering effects, e.g. stimulated Brillouin or Raman effects
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Abstract

本发明提供一种CO2级联紫外拉曼激光器。采用Nd:YAG激光器的四倍频266nm泵浦高纯CO2气体，并利用级联受激拉曼散射来实现276nm，287nm，299nm三种主要紫外光输出。双拉曼池的使用可以分别调控两个拉曼池中各阶拉曼光的能量输出。改变入射泵浦光的能量、脉宽、光束质量和偏振态，两个拉曼池中CO2气体的压力，聚焦参数，拉曼池的长度，或在拉曼池中填充缓冲气体并控制其种类和压力，就可以得到不同能量的拉曼光输出。本发明的优点在于激光器设计简单，调试便捷，可实现两种大气窗口对(276nm/287nm,287nm/299nm)的同时输出，并且可以调控三束光的能量输出值。

Description

一种CO2级联紫外拉曼激光器
技术领域
本发明属于非线性激光变频领域，涉及一种CO2级联拉曼激光器，具体涉及一种基于二氧化碳气体受激拉曼散射的多束紫外激光输出设备。
背景技术
空间监测、大气探测、环境监控、气象预测等越来越多的领域需要激光雷达技术，并发展了像差分吸收以及双差分吸收等测试手段。提高测量精度的同时，对激光的波长有了更多的要求。受激拉曼散射技术结合固体激光可以得到多种激光波长的组合。
基于多光谱的差分吸收激光雷达***已经广泛应用于与平流层下层的臭氧入侵相关的大气勘探，并用于检测城市地区附近的边界层臭氧水平变化。但这种雷达***的探测波长仍有一些问题存在。例如，使用D2产生的两个波长(289和316nm)对于边界层中的测量而言有些不足，其受到多余的气溶胶干扰；对于在对流层上层的测量，在N2中产生的在线波长(283nm)有些短，这可能由于强烈的臭氧吸收而限制了最大可观测范围。在这两种情况下，相对宽的波长间隔导致气溶胶干扰，并且长的离线波长可能限制由于白天的背景光引起的最大可观察范围。
发明内容
基于以上背景技术，本发明利用二氧化碳的非线性受激拉曼散射技术得到276,287,299nm三束拉曼激光的输出，而且装置简单，操作方便，价格低廉。基于该方面的问题，本发明的设计思路是通过双拉曼池结构来实现泵浦激光266nm紫外光向276,287,299nm拉曼激光的高效转换，并且在不同波长间可调节相对能量输出。使用CO2产生276，287，299nm拉曼激光的差分吸收激光雷达DIAL有利于对流层中大气气溶胶的边界层探测，可打破了由于强烈的臭氧吸收造成的最大观测范围限制。使用276和287nm的在线和离线波长在边界层进行测量，使用287和299nm对自由对流层进行测量。
本发明的实用性是266nm紫外光可以利用该装置转换成三束大气窗口激光(276,287,299nm)用于差分吸收激光雷达装置用于探测大气对流层中的气溶胶和臭氧含量。其过程是：266nm泵浦激光依次通过两个填充有一定压力CO2的拉曼池，经过泵浦激光与拉曼介质作用后泵浦激光被消耗，主要产生276,287,299nm三束拉曼激光，并得到了充分的放大。本发明的技术方案如下：
本发明一方面提供一种CO2级联紫外拉曼激光器，包括：泵浦激光器和沿着泵浦激光器激光输出的方向上依次设置的λ/2片，偏振分光棱镜，λ/4片，平凸透镜Ⅰ，拉曼池Ⅰ，平凸透镜Ⅱ，拉曼池Ⅱ，平凸透镜Ⅲ，分光棱镜，分离挡板；所述λ/2片和偏振分光棱镜组合使入射光能量连续可调；所述拉曼池Ⅰ和拉曼池Ⅱ内填充拉曼增益介质CO2；所述平凸透镜Ⅰ、平凸透镜Ⅱ分别将激光会聚到拉曼池Ⅰ和拉曼池Ⅱ内任意一点；所述平凸透镜Ⅲ对拉曼池Ⅱ输出光进行分离，准直后的光束由三角分光棱镜和分离挡板进行分光。
基于以上技术方案，优选的，改变泵浦光266nm的光束质量，脉宽，重复频率，输出能量值可以影响拉曼光输出；产生的拉曼激光主要包含276,287,299nm三束拉曼激光，并且输出光的转换效率可以动态调整；所述泵浦光的脉宽可以为纳米量级，皮秒量级或飞秒量级，重复频率可以为1-1000赫兹甚至更高。所述泵浦光的偏振态为线偏振、圆偏振或者椭圆偏振。
基于以上技术方案，优选的，平凸透镜Ⅰ和平凸透镜Ⅱ通过改变焦距可以将激光会聚到拉曼池Ⅰ和拉曼池Ⅱ内任意一点。通过改变聚焦参数可以控制拉曼光输出。
基于以上技术方案，优选的，平凸透镜Ⅰ和平凸透镜Ⅱ可以换成縮束器或扩束器。通过縮束器(扩束器)将接***行的入射激光变成光斑直径更小(更大)的***行激光输出。通过改变泵浦光的功率密度来影响CO2向拉曼光转换的效率。
基于以上技术方案，优选的，所述拉曼池Ⅰ(6)中CO2压力在0.1-7MPa连续可调；拉曼池Ⅱ(8)中CO2压力在0.1-7MPa连续可调，改变气体压力条件可以改变三束拉曼激光的转换效率。
基于以上技术方案，优选的，λ/4片的偏转角度可以任意改变。通过改变λ/4片的偏转角度来改变入射光的偏振状态，进而控制输出光的转换效率。
基于以上技术方案，优选的，所述拉曼池Ⅰ和拉曼池Ⅱ可以再加入缓冲气体；所述缓冲气体主要为惰性气体；通过控制拉曼增益介质的气压以及入射光的能量可以控制不同级别的拉曼激光波长输出，另外惰性气体的加入以及加入量的多少同样也可以控制输出波长。
基于以上技术方案，优选的，所述惰性气体为氦气、氖气、氩气、氪气、氙气。
基于以上技术方案，优选的，所述拉曼池Ⅰ和拉曼池Ⅱ为两端分别带有激光入射和激光出射窗口的中空密闭腔室，所述密闭腔室的腔体由耐高压的不锈钢管制备；所述激光入射和激光出射窗口为远紫外光学石英玻璃JGS1窗口或者CaF2窗口片密封。
基于以上技术方案，优选的，所述拉曼池Ⅰ和拉曼池Ⅱ的长度是可以更换的。通过改变拉曼池长度，也可以控制输出光谱波长的数量和能量大小。
基于以上技术方案，优选的，所述拉曼池Ⅰ输出的拉曼光可以作为拉曼池Ⅱ的种子光。通过调节拉曼池Ⅰ中各阶拉曼种子光的输出能量值来调控拉曼池Ⅱ的拉曼光输出，利用双拉曼池的设计以实现单一基频激光向多波长激光的高效转换，并且在不同波长间可调节相对能量输出。
基于以上技术方案，优选的，所述拉曼池Ⅰ中可以产生能量较强，方向性更好的一阶斯托克斯光276nm，作为拉曼池Ⅱ的泵浦光，其他相对较弱的斯托克斯光可以作为拉曼池Ⅱ的种子光。
本发明的CO2级联紫外拉曼激光器，其主要组成部分有三部分：泵浦激光器、双拉曼池结构以及激光分离输出***构成。CO2两级级联紫外拉曼激光器可通过改变泵浦光能量、脉宽、偏振态、重复频率影响输出拉曼光的性质；通过改变拉曼池的长度也可控制输出光谱的能量大小。同样，改变聚焦参数值大小也可以控制输出拉曼光的转换效率和光束质量。拉曼池中通过控制CO2拉曼介质的压力可以调控其拉曼激光不同级别波长的输出，另外惰性气体(氦气、氖气、氩气、氪气、氙气)的加入以及加入量的多少同样也可以调控不同级别波长。输出激光分离和输出***采用棱镜和激光选择挡板组合而成，其利用棱镜色散功能将不同激光分离，移动分离挡板即可选择要输出的激光波长。
本发明是一种基于非线性拉曼变频的CO2级联紫外拉曼激光器，其利用双拉曼池的设计以实现单一基频266nm激光向276,287,299nm三束拉曼激光的转换，该发明设计是一种高效的多光谱产生装置。
有益效果
(1)本发明操作方便，装置简单，调试便捷，并且可实现多种类型的激光变频。
(2)本发明通过改变泵浦光能量、脉宽、偏振态、重复频率，拉曼池长度，气体压力，聚焦参数，加入的缓冲气体种类、压力等条件，均能改变276,287,299nm三束拉曼光的转换效率。
(3)本发明产生的三束激光方向性较好，空间发散角明显变小，一般可达与入射激光发散角相近的程度；有很好的单色性。本发明还具有压窄脉宽的作用，产生的三束激光脉冲时间变短。
(4)本发明利用CO2产生的276,287,299nm三束拉曼激光是可以用于大气探测的窗口，利用本发明发射的三束激光制备的差分吸收激光雷达可以进行对流层中大气气溶胶的边界层探测，实现对流层中的臭氧分布的精确测量，打破了由于强烈的臭氧吸收造成的最大观测范围限制，本发明产生的三种紫外拉曼光可以应用于差分吸收激光雷达探测。
附图说明
图1为本发明CO2级联紫外拉曼激光器结构图；
其中；1：泵浦激光器，2：λ/2片，3：偏振分光棱镜，4：λ/4片，5：平凸透镜Ⅰ，6：拉曼池Ⅰ，7：平凸透镜Ⅱ，8：拉曼池Ⅱ，9：平凸透镜Ⅲ，10：分光棱镜，11：分离挡板。
具体实施方式
如图1所示，本发明的CO2级联紫外拉曼激光器包括泵浦激光器1和沿着泵浦激光器1激光输出的方向上依次设置的λ/2片2，偏振分光棱镜3，λ/4片4，平凸透镜Ⅰ5，拉曼池Ⅰ6，平凸透镜Ⅱ7，拉曼池Ⅱ8，平凸透镜Ⅲ9，分光棱镜10，分离挡板11；所述平凸透镜Ⅰ5、平凸透镜Ⅱ7、平凸透镜Ⅲ9凸面面向泵浦激光器；所述λ/2片2和偏振分光棱镜3组合使入射光能量连续可调；所述平凸透镜Ⅰ5、平凸透镜Ⅱ7分别将激光会聚到拉曼池Ⅰ6和拉曼池Ⅱ8内任意一点；所述平凸透镜Ⅲ9对拉曼池Ⅱ8输出光进行分离；所述拉曼池Ⅰ6和拉曼池Ⅱ8内填充拉曼增益气体CO2。
实施例1
用纳秒级脉冲Nd:YAG激光器四倍频266nm紫外激光作为泵浦激光，266nm紫外光的脉宽为10ns，偏振态为竖直偏振，最高出射能量为80mJ，重复频率为1赫兹。266nm泵浦光依次通过两个填充有CO2的拉曼池Ⅰ6和拉曼池Ⅱ8。长度为80cm的拉曼池Ⅰ6中填充0.1MPaCO2，长度为180cm拉曼池Ⅱ8填充2MPa CO2；旋转λ/4片4角度使入射光偏振态变为圆偏振；平凸透镜Ⅰ5和平凸透镜Ⅲ9的焦距为1000mm；平凸透镜Ⅱ7的焦距为500mm；该装置将266nm的基频泵浦光主要转换为276nm、287nm、299nm三束拉曼激光。
实施例2
用皮秒级脉冲Nd:YAG激光器四倍频266nm紫外激光作为泵浦激光，266nm紫外光的脉宽为100ps，偏振态为竖直偏振，重复频率为100赫兹。266nm泵浦光依次通过两个填充有CO2的拉曼池Ⅰ6和拉曼池Ⅱ8。长度为180cm的拉曼池Ⅰ6中填充0.3MPaCO2和0.1MPa的氦气，长度为80cm拉曼池Ⅱ8填充7MPa CO2和5MPa的氦气；旋转λ/4片4角度使入射光偏振态为水平偏振；平凸透镜Ⅰ5换成可以将激光光束缩小一倍的的縮束器，平凸透镜Ⅱ7的焦距为500mm的短焦透镜；平凸透镜Ⅲ9的焦距为500mm；该装置将266nm的基频泵浦光主要转换为276nm、287nm、299nm三束拉曼激光。
实施例3
用纳秒级脉冲Nd:YAG激光器四倍频266nm紫外激光作为泵浦激光，266nm紫外光的脉宽为5ns，偏振态为竖直偏振，最高出射能量为80mJ，重复频率为10赫兹。266nm泵浦光依次通过两个填充有CO2的拉曼池Ⅰ6和拉曼池Ⅱ8。长度为100cm的拉曼池Ⅰ6中填充0.1MPaCO2和0.5MPa的氦气，长度为180cm拉曼池Ⅱ8填充2MPa CO2和1MPa的氦气；旋转λ/4片4角度使入射光偏振态为椭圆偏振；平凸透镜Ⅰ5换成可以将激光光束光斑尺寸扩大一倍的的扩束器，平凸透镜Ⅱ7的焦距为1500mm的长焦透镜；平凸透镜Ⅲ9的焦距为1500mm；该装置将266nm的基频泵浦光主要转换为276nm、287nm、299nm三束拉曼激光。

Claims (9)

1.一种CO2级联紫外拉曼激光器，其特征在于，包括：泵浦激光器(1)和沿着泵浦激光器(1)激光输出的方向上依次设置的λ/2片(2)，偏振分光棱镜(3)，λ/4片(4)，平凸透镜Ⅰ(5)，拉曼池Ⅰ(6)，平凸透镜Ⅱ(7)，拉曼池Ⅱ(8)，平凸透镜Ⅲ(9)，分光棱镜(10)，分离挡板(11)；所述平凸透镜Ⅰ(5)、平凸透镜Ⅱ(7)、平凸透镜Ⅲ(9)凸面面向泵浦激光器；所述平凸透镜Ⅰ(5)、平凸透镜Ⅱ(7)分别将激光会聚到拉曼池Ⅰ(6)和拉曼池Ⅱ(8)内任意一点；所述平凸透镜Ⅲ(9)对拉曼池Ⅱ(8)输出光进行分离；所述拉曼池Ⅰ(6)和拉曼池Ⅱ(8)内填充拉曼增益气体CO2。
2.根据权利要求1所述的CO2级联紫外拉曼激光器，其特征在于：所述泵浦激光器(1)的泵浦光为Nd:YAG激光器的四倍频266nm紫外光；所述泵浦光的脉宽为纳秒量级，皮秒量级或飞秒量级。
3.根据权利要求1所述的CO2级联紫外拉曼激光器，其特征在于：所述平凸透镜Ⅰ(5)和/或平凸透镜Ⅱ(7)可换成縮束器或扩束器。
4.根据权利要求1所述的CO2级联紫外拉曼激光器，其特征在于：所述拉曼池Ⅰ(6)中CO2压力在0.1-7MPa连续可调；拉曼池Ⅱ(8)中CO2压力在0.1-7MPa连续可调。
5.根据权利要求1所述的CO2级联紫外拉曼激光器，其特征在于：所述拉曼池Ⅰ(6)、拉曼池Ⅱ(8)为两端分别带有激光入射和激光出射窗口的中空密闭腔室。
6.根据权利要求4所述CO2级联紫外拉曼激光器，其特征在于：所述拉曼池Ⅰ(6)、拉曼池Ⅱ(8)还包括缓冲气体；所述缓冲气体为惰性气体。
7.根据权利要求5所述的CO2级联紫外拉曼激光器，其特征在于，所述密闭腔室的腔体材质为不锈钢。
8.根据权利要求5所述的CO2级联紫外拉曼激光器，其特征在于，所述激光入射和激光出射窗口为石英窗口或者CaF2窗口。
9.根据权利要求6所述的CO2级联紫外拉曼激光器，其特征在于，所述惰性气体为氦气、氖气、氩气、氪气、氙气。
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