CN205790929U - 一种染料激光器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种染料激光器，分为振荡级、预放级、放大级，并采用一线式结构，输出光所经光学元件少，损耗小；采用竖直振荡腔，输出激光与染料池之间以布鲁斯特角入射，减少了反射损失的同时获得了较纯的偏振态输出；同时在泵浦光路上利用半波片和偏振分束片的组合，使得泵浦光在振荡级、预放级、放大级三级上的分配可以轻松连续调节，能在各种不同泵浦环境中得到最好的输出。

Description

一种染料激光器

技术领域

本实用新型涉及激光技术领域，尤其涉及一种染料激光器。

背景技术

自从1960年世界上第一台红宝石激光器问世，50多年来，激光技术发展迅猛，已与多个学科相结合形成多个应用技术领域，比如激光加工技术，激光检测与计量技术，激光光谱分析技术，非线性光学，激光化学，激光雷达以及大气环境的光谱检测等。随着激光技术的迅速发展，激光技术在各个领域所起的作用越来越巨大，从军用到民用，从科研到教学，从工业到农副业等众多领域。

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。1964年，Stockman最早对有机染料激光器展开实验研究；自从1966年Sorokin和Lankard用红宝石激光器抽运花菁类染料首次获得激光辐射，染料激光器开始迅速发展。1967年，Soffer和Farland用衍射光栅取代谐振腔的一个反射镜，不仅使光谱得到压缩(从6nm压缩到了0.06nm)，而且还获得了45nm的连续可调谐范围，使波长可调谐的染料激光器得到发展。在染料激光器发展的初期，由于染料分子三重态积累引起的损耗，只能实现脉冲运转；到1969年，三重态为氧所猝灭能很快地减少其稳态粒子数得以发现，从而可允许连续运转；1970年，Peterson等人实现了连续波染料激光器的运转。就这样，染料激光器的可调谐范围宽广、输出功率高、吸收和增益容易控制(因为染料浓度容易控制)、可产生连续波等优点逐个得到开发，并且得到广泛的应用。

染料激光的调谐范围为0.3～1.2微米，是应用最多的一种可调谐激光器。它是一种优良的可调谐激光器，具有输出谱线范围宽、功率高等特点。染料激光器最吸引人的特性是它的激光波长在很宽的范围内连续可调，随着染料激光器性能不断改进和提高, 应用面将会愈来愈广泛。而与此同时，在工程应用中，对激光器的可靠性、工程化、稳定性、可装配性、多功能性、操作方便的要求也越来越高。

实用新型内容

为了提高激光器的可靠性、稳定性、可装配性、多功能性、操作方便等性能，本实用新型提供了一种染料激光器。

本实用新型为实现上述目的所采用的技术方案是：一种染料激光器，包括一线式结构的振荡级染料池5、预放级染料池7和放大级染料池8，泵浦光1传播方向上设有半波片10和偏振分束片11，偏振分束片11与振荡级染料池5之间的光路上设有柱面凸透镜13和柱面凹透镜14，偏振分束片11与预放级染料池7之间的光路上设有反射镜12、半波片10、偏振分束片11、柱面凸透镜13和柱面凹透镜14，预放级染料池7光路上的偏振分束片11与放大级染料池8之间设有反射镜12和柱面凸透镜14，振荡级染料池5输出的振荡光路上设有一维扩束镜组合4、方形反射镜5和反射光栅2，振荡级染料池5和预放级染料池7之间设有振荡级输出耦合腔镜6，预放级染料池7和放大级染料池8之间设有凸透镜15、16。

所述振荡级染料池5和预放级染料池7由两组平行的石英片组成，泵浦光入射面两片石英片相互平行，振荡光出射面有5°的夹角，石英片倾斜放置，振荡光的出射面与水平面的夹角35°。

所述振荡级输出耦合腔镜6为两面平行的镜片，一面镀增透膜。

所述放大级染料池8为中间带柱状孔的等腰直角棱镜。

所述振荡级染料池5和预放级染料池7通过染料导管22连接，振荡级染料池5、预放级染料池7通过染料导管22连接同一个循环泵。

振荡级染料池5设有调节架，调节架上设有用于振荡光的水平位置和方向调节的微调螺丝30、31、32。

本实用新型的染料激光器，该染料激光器分为振荡级、预放级、放大级，并采用一线式结构，输出光所经光学元件少，损耗小的同时易于调节，并且结构稳定能承受较大的振动以及温度变化；输出激光与染料池之间以布鲁斯特角入射，减少了反射损失，并且不使用额外的光学元件获得了较纯的偏振态输出；采用竖直振荡腔，输出激光与染料池之间以布鲁斯特角入射，减少了反射损失的同时获得了较纯的偏振态输出；同时在泵浦光路上利用半波片和偏振分束片的组合，使得泵浦光在振荡级、预放级、放大级三级上的分配可以轻松连续调节，能在各种不同泵浦环境中得到最好的输出；其中振荡级为一体结构，较稳固，对振动以及外界温度变化有较强的忍受能力。

附图说明

图1是本实用新型染料激光器原理图。

图2是本实用新型染料激光器俯视原理图。

图3是本实用新型染料激光器振荡级中的染料池调节架结构图。

图4是本实用新型染料激光器放大级中染料池的光学原理图。

图5是该本实用新型染料激光器整体俯视结构图。

图中：1、振荡光，2、反射光栅，3、方形反射镜，4、一维扩束镜组合，5、振荡级染料池，6、振荡级输出耦合腔镜，7、预放级染料池，8、放大级染料池，9、激光器输出光，10、半波片，11、偏振分束片，12、反射镜，13、柱面凸透镜，14、柱面凹透镜，15、凸透镜，16、凸透镜，18、光栅一阶衍射光，20、竖直扩束后的振荡光，22、染料导管，24、振荡光，30、微调螺丝，31、微调螺丝，32、微调螺丝。

具体实施方式

本实用新型的染料激光器原理和结构如图1、2和5所示，光路***中包括：

泵浦光1：染料激光器的泵浦激光，用于把染料分子泵浦至高能力产生粒子数反转，通常来自于Nd:YAG激光器，准分子激光器等；

反射光栅2：将振荡染料池出来的激光衍射，使得不同波长的激光射向不通的方向（；

方形反射镜3：可以通过改变角度来选择反射光栅散射出的光，形成振荡；

一维扩束镜组合4：把入射的振荡光在竖直维度上放大20~40倍，减少对光栅的损害以及可以实现光栅上较大的入射角度，减少被反射的光，提高光栅效率，缩小输出激光的线宽；

振荡级染料池5：由两组接***行的石英片组成。泵浦光入射的那面，两片石英片相互平行，振荡光出射的那两面，有5°的夹角。并且倾斜放置，振荡光的出射面与水平面的夹角大约35°，使得振荡光能以55°的布鲁斯特角入射，一方面可以减少反射损失，另一方面可以在不用额外光学元件的情况下获得高纯的偏振激光；

振荡级输出耦合腔镜6：一两面平行的镜片，一面镀增透膜，增透波长350~950nm（可按输出激光波长选择对应范围），透过率大于99.9%。另一面不镀膜，使得对全波长的光都有大约4%的反射率，这部分反射的光对于增益极大的染料激光是适用的，能形成振荡放大；

预放级染料池7：由两组接***行的石英片组成。泵浦光入射的那面，两片石英片相互平行，振荡光出射的那两面，有5°的夹角。并且倾斜放置，振荡光的出射面与水平面的夹角大约35°，使得振荡光能以55°的布鲁斯特角入射。方向可以与振荡级染料池5相反，用以调节输出激光至同一水平高度。方向也可以与振荡级染料池5相同，而只用后面的光束调节镜来改变输出光束的位置和方向；

放大级染料池8：其结构如图4所示，由一中间带柱状孔的等腰直角棱镜组成，输出激光由柱状孔的一端射入放大后由另一端输出。泵浦光垂直入射于直角棱镜的长边，一部分光直接入射泵浦柱状孔中的染料，另一部分通过直角棱镜的短边反射后入射泵浦柱状孔中的染料。用这种染料池可以承受极高能量的泵浦光并且能获得光束质量好，分布均匀的输出激光；

激光器输出光9：由泵浦光照射振荡级染料池产生，经光栅选择波长在振荡级中振荡放大后输出，然后经过预放级初步放大，再由整形镜对调整位置和发散度后最终经过放大级放大后输出；

半波片10：改变泵浦光的偏振，从而使得泵浦光在后面的偏振分束片处有不同的透过率和反射率；

偏振分束片11：完全透过P偏振光（光的偏振平行于入射平面），完全反射S偏振光（光的偏振垂直于入射平面）；

反射镜12：可以以45°入射角反射泵浦光，反射率大于99%；

柱面凸透镜13：聚焦方向在竖直方向的柱面凸透镜，用来把泵浦光压缩成切面为水平方向上的线状光束。并且柱面凸透镜安装在一个可以旋转和高低伸缩的支架上，可以用来调节线状光束的高低和与水平面的夹角；

柱面凹透镜14：发散方向在水平方向的柱面凹透镜，用来把泵浦光在水平方向上发散，降低染料池的压力同时增加染料泵浦长度。并且柱面凹透镜安装在一个可以高低伸缩的支架上，可以用来调节线状光束的高低位置；

凸透镜15：输出激光在预放级和放大级之间所经过的凸透镜，与凹透镜16组合使用用以改变输出激光的位置、方向、发散度，使得输出激光在放大级中充分放大；

凸透镜16：输出激光在预放级和放大级之间所经过的凹透镜，与凸透镜15组合使用用以改变输出激光的位置、方向、发散度，使得输出激光在放大级中充分放大；

光栅一阶衍射光18：振荡光经光栅衍射出的一阶衍射光，经过旋转的方形反射镜17反射后实现波长的选择；

竖直扩束后的振荡光20：振荡光经一维扩束镜组合21竖直扩大后的光，放大倍数20~40，减少对光栅的损害以及可以实现光栅上较大的入射角度，减少被反射的光，提高光栅效率，缩小输出激光的线宽；

振荡光24：振荡染料池经泵浦之后辐射出振荡光，它以布鲁斯特角入射振荡级染料池；

片状泵浦光28：用来泵浦振荡级染料辐射出振荡光；

微调螺丝30、31、32：可以调节振荡光的水平位置和方向；

该技术方案除了光路***还包括：

染料循环泵：用以驱动液体染料溶液循环起来，泵的速率一般为1升/分, 激励区的流速约为1米/秒；

染料导管22：用来输送液体染料的管道，连接染料池与染料循环泵，要求不能溶解于染料的有机溶剂，其中振荡级染料池和预放级染料池用一段染料导管连接如图2中所示。该技术方案中振荡级和预放级公用一个循环泵，使用同一浓度的染料，而放大级用另一循环泵，用另一浓度的染料；

直线导轨以及滑块：伸缩改变长度从而牵动带轴承和杠杆，改变振荡级的方形反射镜3的角度来改变输出激光的波长；

机电控制单元：用以控制直线导轨来改变输出激光波长；

激光器外壳：染料激光器的外部结构；

泵浦光1传播方向上设有半波片10和偏振分束片11，偏振分束片11与振荡级染料池5之间的光路上设有柱面凸透镜13和柱面凹透镜14，偏振分束片11与预放级染料池7之间的光路上设有反射镜12、半波片10、偏振分束片11、柱面凸透镜13和柱面凹透镜14，预放级染料池7光路上的偏振分束片11与放大级染料池8之间设有反射镜12和柱面凸透镜14，振荡级染料池5输出的振荡光路上设有一维扩束镜组合4、方形反射镜5和反射光栅2，振荡级染料池5和预放级染料池7之间设有振荡级输出耦合腔镜6，预放级染料池7和放大级染料池8之间设有凸透镜15、16。

如图1所示，当振荡光1射入染料激光器之后，会被半波片10、偏振分束片11和反射镜12分成3部分，分别用于泵浦振荡级染料池5、预放级染料池7和放大级染料池8。泵浦振荡级染料池和预放级染料池的泵浦光都会经过柱面凸透镜13和柱面凹透镜14整形成切面接近水平的线状光束；而泵浦放大级染料池的泵浦光只需要进行凹透镜14进行水平放大，而不需要进行竖直压缩。

如图2所示，当泵浦光照射到振荡级染料池23之后会在染料池的侧壁内平面内沿着线状泵浦光辐射出振荡光24。振荡光入射到振荡级输出耦合腔镜25上之后，反射回大约4%再经过振荡级染料池放大后输出进入一维扩束镜组合21，在竖直方向上光斑放大20~40倍后入射到反射光栅19。光栅的零阶光直接反射损失掉；而光栅一阶衍射光18会被方形反射镜17垂直原路返回而形成振荡；通过转动改变方形反射镜的角度可以选择目标输出激光波长。振荡光25离开振荡级之后先经过预放级染料池26初步放大，然后经过凹凸镜整形、改变位置和方向后输入放大级染料池27放大后最终输出。

如图2所示，振荡级染料池23和预放级染料池26通过一段染料导管连接，使用同一染料溶液和染料循环泵。

如图3所示，振荡光的水平位置和方向调节是通过微调螺丝30、31、32实现的，可以实现振荡光水平方向的5mm的平移以及+-10°方向的调节；而振荡光竖直位置的调节是通过图1中的偏振分束片11以及柱面凸透镜13实现的。

如图4所示，要使用放大级只需要把泵浦光水平扩大，并不需要竖直压缩，并且可以承受极高的泵浦能量。放大级染料池由一中间带柱状孔的等腰直角棱镜组成，输出激光由柱状孔的一端射入放大后由另一端输出。泵浦光垂直入射于直角棱镜的长边，一部分光直接入射泵浦柱状孔中的染料，另一部分通过直角棱镜的短边反射后入射泵浦柱状孔中的染料，用这种染料池可以承受极高能量的泵浦光并且能获得光束质量好，分布均匀的输出激光。

Claims (6)

1.一种染料激光器，其特征在于：包括一线式结构的振荡级染料池（5）、预放级染料池（7）和放大级染料池（8），泵浦光（1）传播方向上设有半波片（10）和偏振分束片（11），偏振分束片（11）与振荡级染料池（5）之间的光路上设有柱面凸透镜（13）和柱面凹透镜（14），偏振分束片（11）与预放级染料池（7）之间的光路上设有反射镜（12）、半波片（10）、偏振分束片（11）、柱面凸透镜（13）和柱面凹透镜（14），预放级染料池（7）光路上的偏振分束片（11）与放大级染料池（8）之间设有反射镜（12）和柱面凸透镜（14），振荡级染料池（5）输出的振荡光路上设有一维扩束镜组合（4）、方形反射镜（5）和反射光栅（2），振荡级染料池（5）和预放级染料池（7）之间设有振荡级输出耦合腔镜（6），预放级染料池（7）和放大级染料池（8）之间设有凸透镜（15、16）。

2.根据权利要求1所述的一种染料激光器，其特征在于：所述振荡级染料池（5）和预放级染料池（7）由两组平行的石英片组成，泵浦光入射面两片石英片相互平行，振荡光出射面有5°的夹角，石英片倾斜放置，振荡光的出射面与水平面的夹角35°。

3.根据权利要求1所述的一种染料激光器，其特征在于：所述振荡级输出耦合腔镜（6）为两面平行的镜片，一面镀增透膜。

4.根据权利要求1所述的一种染料激光器，其特征在于：所述放大级染料池（8）为中间带柱状孔的等腰直角棱镜。

5.根据权利要求1所述的一种染料激光器，其特征在于：所述振荡级染料池（5）和预放级染料池（7）通过染料导管（22）连接，振荡级染料池（5）、预放级染料池（7）通过染料导管（22）连接同一个循环泵。

6.根据权利要求1所述的一种染料激光器，其特征在于：振荡级染料池（5）设有调节架，调节架上设有用于振荡光的水平位置和方向调节的微调螺丝（30、31、32）。