專利名稱：一種產(chǎn)生窄線寬脈沖激光的脈沖染料放大器及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及脈沖單頻激光器，尤其涉及一種產(chǎn)生鈉測溫測風(fēng)激光雷達系統(tǒng)需要的窄線寬脈沖激光的脈沖染料放大器及方法。
背景技術(shù)：
為實現(xiàn)對中間層頂區(qū)域(80_105km)的大氣溫度和風(fēng)場的同時測量，可使用在該區(qū)域存在的鈉原子作為示蹤物，利用鈉原子的共振熒光后向散射回波信號反演出大氣溫度和風(fēng)場的垂直分布廓線。為實現(xiàn)對大氣溫度和風(fēng)場的 垂直分布廓線的探測，脈沖式高光譜分辨鈉熒光激光雷達是一種有效可靠地手段。由原子光譜的理論知識，高光譜分辨率的鈉原子熒光譜線與溫度和風(fēng)速有關(guān)。根據(jù)鈉原子熒光譜線和溫度、風(fēng)速的變化關(guān)系，向大氣中同時發(fā)射三種頻率的線寬很窄(百兆赫茲量級)的脈沖激光，激光頻率分別為鈉原子譜線D2a譜線的中心頻率V。(波長589. 158nm)，以及兩個側(cè)翼頻率vQ+f和vQ-f，可以實現(xiàn)對溫度和風(fēng)場的探測。因而，脈沖窄線寬激光光源的產(chǎn)生是解決問題的關(guān)鍵部分。隨著激光技術(shù)的進步，目前，產(chǎn)品化的激光器主要是通過脈沖式Y(jié)AG激光器直接泵浦染料介質(zhì)，由光柵元件選?？蓪崿F(xiàn)可輸出589nm的寬帶激光光源。但是其線寬為GHz量級，線寬太寬以至于其只能實現(xiàn)對鈉原子密度的探測，而無法滿足溫度和風(fēng)場的探測要求。

發(fā)明內(nèi)容
(一 )要解決的技術(shù)問題本發(fā)明的主要目的是針對目前產(chǎn)品化激光光源無法用于探測中間層頂區(qū)域大氣溫度和風(fēng)場的現(xiàn)狀，提供一種脈沖染料放大器，實現(xiàn)鈉測溫測風(fēng)激光雷達系統(tǒng)需要的窄線寬脈沖激光光源。( 二 )技術(shù)方案為解決上述問題，本發(fā)明提出了一種產(chǎn)生窄線寬脈沖激光的脈沖染料放大器，其包括三級染料流動池，所述染料流動池內(nèi)裝有染料介質(zhì)，當(dāng)種子光和泵浦光入射到所述染料流動池并在所述染料介質(zhì)上作用后產(chǎn)生放大的出射光，其中經(jīng)第一級染料流動池放大后的一級放大光與泵浦光經(jīng)第二級染料流動池放大后得到二級放大光，經(jīng)第二級染料流動池放大后的二級放大光與泵浦光經(jīng)第三極染料流動池放大后，最終產(chǎn)生窄線寬激光。本發(fā)明還提出了一種產(chǎn)生窄線寬脈沖激光的方法，其包括步驟一、分別入射種子光和泵浦光到第一級染料池并產(chǎn)生放大后的一級放大光；步驟二、經(jīng)第一級染料流動池放大后的一級放大光與泵浦光經(jīng)第二級染料流動池放大后產(chǎn)生二級放大光；步驟三、經(jīng)第二級染料流動池放大后的二級放大光與泵浦光經(jīng)第三級染料流動池放大后，最終產(chǎn)生窄線寬激光。(三)有益效果本發(fā)明的優(yōu)點和效果是采用高功率脈沖泵浦光和窄線寬光源種子注入方式可獲得窄線寬脈沖光源。采用三級染料放大技術(shù)可實現(xiàn)激光功率的放大。采用微型三維線性平移臺、微型二維線性平移臺、二維調(diào)整架、旋轉(zhuǎn)臺及其他們之間的組合可方便實現(xiàn)各個光學(xué)器件位置的調(diào)整，從而簡單快捷調(diào)整光路。采用小孔和鉆石孔可實現(xiàn)優(yōu)異的光斑形狀。


圖1是本發(fā)明的脈沖染料放大器的結(jié)構(gòu)框圖；圖2為本發(fā)明中染料流動池的安裝架構(gòu)圖；。圖3為本發(fā)明中分束片的安裝架構(gòu)圖；圖4為本發(fā)明中反射晶體的安裝架構(gòu)圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細(xì)說明。如圖1所示，本發(fā)明提出的脈沖染料放大器包括第一塊小孔101，第二塊小孔102，平面反射鏡2，第一塊透鏡301，第一染料流動池401，第一鉆石孔501，第二塊透鏡302，第三塊透鏡303，第二染料流動池402，第二鉆石孔502，第四透鏡304，第五塊透鏡305，第三染料流動池403，第一分束片601，第六塊透鏡306，第二分束片602，第七塊透鏡307，第一反射晶體701，第二反射晶體702，面包板，第一染料循環(huán)泵801和第二染料循環(huán)泵802。所述第一塊小孔，第二塊小孔固定于高度方向可調(diào)的支撐桿架上，小孔大小在Imm 20mm之間可調(diào)。所說平面反射鏡固定于由二維調(diào)整架和支撐桿組成的組合架上，所述第一塊透鏡，第一染料流動池，第一鉆石孔，第二塊透鏡，第三塊透鏡，第二染料流動池，第二鉆石孔，第四塊透鏡，第五塊透鏡，第三染料流動池固定于微型三維線性平移臺上。所述第一分束片，第二分束片固定于由微型二維線性平移臺和二維調(diào)整架組成組合架上，第六塊透鏡，第七塊透鏡固定于微型二維線性平移臺上。所述的第一反射晶體，第二反射晶體固定于水平方向可旋轉(zhuǎn)高度可升降的旋轉(zhuǎn)臺上。所述面包板是帶有I英寸間距螺紋孔的安裝平臺。上述通過調(diào)整二維調(diào)整架可實現(xiàn)對在豎直方向和水平方向的角度調(diào)整。通過調(diào)整微型二維線性平移臺可實現(xiàn)水平面的X方向和Y方向調(diào)整。通過調(diào)整微型三維線性平移臺可實現(xiàn)三維空間的X方向、Y方向、Z方向的調(diào)整。通過旋轉(zhuǎn)臺可改變器件高度和在水平方向上的角度。所述染料循環(huán)泵用于不斷循環(huán)所述染料流動池內(nèi)的染料介質(zhì)。通過小孔和鉆石孔獲得良好的光斑形狀。通過調(diào)整上述各個器件的位置實現(xiàn)大功率泵浦光和窄線寬種子光在三級染料池的染料介質(zhì)上最大程度重合。如圖2所示，所述染料流動池的安裝組合架構(gòu)包括微型三維平移臺2001，染料流動池安裝架2002，染料流動池2003 ;其中，所述染料流動池安裝在所述染料流動池安裝架上，所述染料流動池安裝架安裝在所述微型三維平移臺上。如圖3所示，所述分束片的安裝組合架構(gòu)包括精密二維調(diào)整架3001，分束片3002，微型二維平移臺3003 ;其中，所述分束片安裝在精密二維調(diào)整架上，而所述精密二維調(diào)整架安裝在微型二維平移臺上。如圖4所示,所述反射晶體的安裝組合架構(gòu)包括反射晶體4001,帶有夾持件的旋轉(zhuǎn)臺4002，所述反射晶體安裝在所述帶有用于夾持反射晶體的夾持件的旋轉(zhuǎn)臺上。
由于經(jīng)染料流動池后放大的光與種子光的光路走向相同，所以本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中使用種子光來確定光路上各個裝置的位置。經(jīng)擴束準(zhǔn)直后的種子光的光路走向如圖1所示。種子光先經(jīng)過第一小孔101和第二小孔102，經(jīng)平面反射鏡2反射后由平凸透鏡301匯聚穿過第一染料流動池401，其中所述經(jīng)平面鏡2的反射光與入射光成垂直。所述穿過第一染料流動池401的種子光的焦點位置位于第一鉆石孔501處。種子光穿過第一鉆石孔501后由雙凹透鏡302發(fā)散，再由雙凸透鏡303匯聚穿過第二染料流動池402，所述穿過第二染料流動池402的種子光的焦點位置位于第二鉆石孔502處。種子光穿過第二鉆石孔502后由雙凹透鏡304和雙凸透鏡305擴束準(zhǔn)直后穿過第三染料流動池403。大功率泵浦光經(jīng)由第一分束片601分束，經(jīng)所述第一分束片601分束后得到的反射光( 14% )由柱透鏡306匯聚到第一染料流動池401上，而經(jīng)所述第一分束片601分束后得到的透射光( 86% )由第二分束片602進一步分束，經(jīng)所述第二分束片602分束后得到的反射光( 19% )由柱透鏡307匯聚到第二染料流動池402上，而經(jīng)所述第二分 束后得到的透射光(81% )經(jīng)過第一反射晶體701、第二反射晶體702后斜入射穿過第三染料流動池403。染料流動池內(nèi)采用的染料介質(zhì)為Rhodamine 101 (也叫Rhodamine640Perchlorate)和 Sulforhodamine B (Kiton Red 620)。在 532nm 激光泵浦情況下，溶解在甲醇溶劑中的Sulforhodamine B福射的突光光譜范圍為578nm-606nm,強度最大的中心波長為584nm。溶解在甲醇溶劑中的Rhodamine 101射的熒光光譜范圍為589nm_623nm，強度最大的中心波長為602nm。種子光水平入射穿過第一小孔101和第二小孔102。通過高度可調(diào)的兩個小孔可保證入射光的光路位置。改變小孔到合適大小可優(yōu)化調(diào)整種子光的功率和形狀。平面反射鏡2鍍有全反射膜，反射率可達99%以上，其安裝于二維調(diào)整架上，通過在豎直方向和水平方向調(diào)整鏡片角度可保證反射后光束水平出射。透鏡301、302和303兩面鍍有增透膜，安裝于微型三維平移臺上，垂直于光軸方向的調(diào)整可保證光束沿透鏡中心穿過，沿著光軸方向調(diào)整可改變匯聚后的焦點位置，保證匯聚后的激光以最大體積穿過染料流動池401、402內(nèi)的染料介質(zhì)。調(diào)整第一鉆石孔501和第二鉆石孔502的位置保證其位于種子光束匯聚的焦點處。通過調(diào)整所述第一分束片601的指向和透鏡306的位置，保證泵浦光的反射光與所述種子光在第一染料流動池401內(nèi)最大程度的重合，從而獲得最佳線型的一級放大光。同樣調(diào)整所述第二分束片602的指向和透鏡307的位置，保證泵浦光的反射光與所述種子光在第二染料流動池402內(nèi)最大程度的重合，從而獲得最佳線型的二級放大光。調(diào)整透鏡304和305的位置準(zhǔn)直優(yōu)化光束發(fā)散角到需要大小并穿過第三染料流動池403。反射晶體702的旋轉(zhuǎn)臺盡量靠近種子光束而不遮擋種子光束。調(diào)整反射晶體701和702的角度保證泵浦光和種子光在第三染料流動池403內(nèi)的染料介質(zhì)上最大程度重合。第一染料流動池401和第二染料流動池402內(nèi)染料介質(zhì)為同一種濃度的染料介質(zhì)，染料介質(zhì)溶于高純度甲醇溶劑中，其濃度為每1000毫升甲醇含Rhodamine 101的量為9. 16毫克和Sulforhodamine B的量為44. 3毫克，染料溶劑由第一染料循環(huán)泵801抽運循環(huán)，流速為每分鐘7升。第三染料流動池403內(nèi)染料介質(zhì)同樣溶于高純度甲醇溶劑中，其濃度為每1000毫升甲醇含Rhodamine 101的量為1. 9毫克和Sulforhodamine B的量為14. 3毫克，染料溶劑由第二染料循環(huán)泵802抽運循環(huán)，流速也為每分鐘7升。
本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中，選用589nm的種子光和532nm的脈沖泵浦光，所產(chǎn)生的是589nm窄線寬脈沖激光。第一染料流動池401和第二染料流動池402放置角度關(guān)于豎直方向?qū)ΨQ，角度盡可能大以染料流動池安裝架不遮擋種子光束為宜。第三染料池403表面法線的角度與入射的種子光束成布儒斯特角?？梢姡雒}沖染料放大器通過脈沖泵浦光和窄線寬種子光在特定配比濃度的染料介質(zhì)中的相互作用實現(xiàn)激光功率的放大，經(jīng)三級放大后獲得需要的窄線寬脈沖激光光源。第一級放大由一部分分束片分束后的脈沖泵浦光和窄線寬種子光在一塊染料流動池內(nèi)染料介質(zhì)內(nèi)實現(xiàn)，第一級放大后的激光和另一部分分束片分束后的部分泵浦光在第二塊染料流動池的染料介質(zhì)上作用實現(xiàn)第二級放大，剩余泵浦光和二級放大后的激光在第二塊染料流動池的染料介質(zhì)上作用實現(xiàn)第三級放大。圖1中出射光即為經(jīng)三級放大后的激光。以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳 細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種產(chǎn)生窄線寬脈沖激光的脈沖染料放大器，其包括三級染料流動池，所述染料流動池內(nèi)裝有染料介質(zhì)，當(dāng)種子光和泵浦光入射到所述染料流動池并在所述染料介質(zhì)上作用后產(chǎn)生放大的出射光，其中經(jīng)第一級染料流動池放大后的一級放大光與泵浦光經(jīng)第二級染料流動池放大后得到二級放大光，經(jīng)第二級染料流動池放大后的二級放大光與泵浦光經(jīng)第三極染料流動池放大后，最終產(chǎn)生窄線寬脈沖激光。
2.如權(quán)利要求1所述的脈沖染料放大器，其特征在于，所述脈沖染料放大器還包括第一分束片和第二分束片，所述泵浦光經(jīng)第一分束片分束后的反射光入射所述第一級染料流動池，而經(jīng)所述第一分束片分束后的透射光經(jīng)第二分束片分束后，得到的反射光入射所述第二級染料流動池，經(jīng)所述第二分束片分束后的透射光入射所述第三級染料流動池。
3.如權(quán)利要求2所述的脈沖染料放大器，其特征在于，所述脈沖染料放大器還包括第一透鏡和第二透鏡，所述經(jīng)第一分束片分束后的泵浦光的反射光經(jīng)所述第一透鏡入射到所述第一級染料流動池，所述經(jīng)第二分束片分束后的泵浦光的反射光經(jīng)所述第二透鏡入射到所述第二級染料流動池，通過調(diào)整所述第一分束片、第二分束片的指向和第一透鏡、第二透鏡的位置，使得所述種子光和泵浦光分別在所述第一級染料流動池和第二染料流動池內(nèi)最大程度的重合。
4.如權(quán)利要求2所述的脈沖染料放大器，其特征在于，所述脈沖染料放大器還包括第一反射晶體和第二反射晶體，經(jīng)第二分束片分束后的泵浦光的透射光經(jīng)第一反射晶體和第二反射晶體后斜入射到所述第三級染料流動池，通過調(diào)整第一反射晶體和第二反射晶體的角度使得泵浦光和種子光在第三級染料流動池內(nèi)最大程度的重合。
5.如權(quán)利要求1所述的脈沖染料放大器，其特征在于，所述第一級染料流動池、第二級染料流動池和第三級染料流動池內(nèi)的染料介質(zhì)相同，第一級染料流動池和第二級染料流動池內(nèi)的染料介質(zhì)的配比濃度相同，但不同于第三級染料流動池內(nèi)的染料介質(zhì)的配比濃度。
6.如權(quán)利要求1所述的脈沖染料放大器，其特征在于，所述第一級染料流動池和第二級染料流動池的放置角度關(guān)于垂直方向?qū)ΨQ，而第三級染料流動池表面法線的角度與入射的種子光成布儒斯特角。
7.如權(quán)利要求5所述的脈沖染料放大器，其特征在于，所述三級染料流動池分別安裝在微型三維平移臺上；所述第一分束片和第二分束片分別安裝在精密二維調(diào)整架上，而所述精密二維調(diào)整架安裝在微型二維平移臺上；所述第一反射晶體和第二反射晶體分別安裝在帶有夾持件的旋轉(zhuǎn)臺上。
8.如權(quán)利要求1所述的脈沖染料放大器，其特征在于，所述脈沖染料放大器還包括第一小孔、第二小孔、平凸透鏡和平面反射鏡，所述種子光先經(jīng)過所述第一小孔和第二小孔，然后經(jīng)所述平面反射鏡反射后由所述平凸透鏡匯聚入射到第一級染料流動池。
9.如權(quán)利要求8所述的脈沖染料放大器，其特征在于，所述脈沖染料放大器還包括第一鉆石孔、第二鉆石孔、第一雙凹透鏡、第二雙凹透鏡、第一雙凸透鏡和第二雙凸透鏡；所述經(jīng)第一級染料流動池放大后的一級放大光穿過第一鉆石孔后由第一雙凹透鏡發(fā)散，再由第一雙凸透鏡匯聚后入射第二級染料流動池，經(jīng)所述第二級染料流動池再次放大后的二級放大光穿過第二鉆石孔后由第二雙凹透鏡和第二雙凸透鏡擴束準(zhǔn)直后入射第三級染料流動池。
10.如權(quán)利要求1所述的脈沖染料放大器，其特征在于，所述第一級染料流動池和第二級染料流動池內(nèi)的染料介質(zhì)的濃度配比為每1000毫升甲醇含9. 16毫克的Rhodamine 101和44. 3毫克Sulforhodamine B，第三級染料流動池內(nèi)的染料介質(zhì)的濃度配比為每1000毫升甲醇含1. 9毫克的Rhodamine 101和14. 3毫克的Sulforhodamine B ;所產(chǎn)生的窄線寬脈沖激光為589nm的脈沖激光。
11.一種產(chǎn)生窄線寬脈沖激光的方法，其包括 步驟一、分別入射種子光和脈沖泵浦光到第一級染料池并產(chǎn)生放大后的一級放大光；步驟二、經(jīng)第一級染料流動池放大后的一級放大光與泵浦光經(jīng)第二級染料流動池放大后廣生~.級放大光; 步驟三、經(jīng)第二級染料流動池放大后的二級放大光與泵浦光經(jīng)第三級染料流動池放大后，最終產(chǎn)生窄線寬脈沖激光。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種產(chǎn)生窄線寬激光的脈沖染料放大器，其包括三級染料流動池，所述染料流動池內(nèi)裝有染料介質(zhì)，當(dāng)連續(xù)型窄線寬種子光和脈沖泵浦光入射到所述染料流動池并在所述染料介質(zhì)上作用后產(chǎn)生放大的出射光，其中經(jīng)第一級染料流動池放大后的一級放大光與泵浦光經(jīng)第二級染料流動池放大后得到二級放大光，經(jīng)第二級染料流動池放大后的二級放大光與泵浦光經(jīng)第三極染料流動池放大后，最終產(chǎn)生窄線寬脈沖激光。其中，可以使用589nm的種子光和532nm的脈沖泵浦光來產(chǎn)生589nm的窄線寬脈沖激光。
文檔編號H01S3/23GK103022889SQ20121055872
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月20日
發(fā)明者李陶, 方欣, 竇賢康 申請人:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)