专利名称：一种产生窄线宽脉冲激光的脉冲染料放大器及方法
技术领域：
本发明涉及脉冲单频激光器，尤其涉及一种产生钠测温测风激光雷达系统需要的窄线宽脉冲激光的脉冲染料放大器及方法。
背景技术：
为实现对中间层顶区域(80_105km)的大气温度和风场的同时测量，可使用在该区域存在的钠原子作为示踪物，利用钠原子的共振荧光后向散射回波信号反演出大气温度和风场的垂直分布廓线。为实现对大气温度和风场的 垂直分布廓线的探测，脉冲式高光谱分辨钠荧光激光雷达是一种有效可靠地手段。由原子光谱的理论知识，高光谱分辨率的钠原子荧光谱线与温度和风速有关。根据钠原子荧光谱线和温度、风速的变化关系，向大气中同时发射三种频率的线宽很窄(百兆赫兹量级)的脉冲激光，激光频率分别为钠原子谱线D2a谱线的中心频率V。(波长589. 158nm)，以及两个侧翼频率vQ+f和vQ-f，可以实现对温度和风场的探测。因而，脉冲窄线宽激光光源的产生是解决问题的关键部分。随着激光技术的进步，目前，产品化的激光器主要是通过脉冲式YAG激光器直接泵浦染料介质，由光栅元件选模可实现可输出589nm的宽带激光光源。但是其线宽为GHz量级，线宽太宽以至于其只能实现对钠原子密度的探测，而无法满足温度和风场的探测要求。
发明内容
(一 )要解决的技术问题本发明的主要目的是针对目前产品化激光光源无法用于探测中间层顶区域大气温度和风场的现状，提供一种脉冲染料放大器，实现钠测温测风激光雷达系统需要的窄线宽脉冲激光光源。( 二 )技术方案为解决上述问题，本发明提出了一种产生窄线宽脉冲激光的脉冲染料放大器，其包括三级染料流动池，所述染料流动池内装有染料介质，当种子光和泵浦光入射到所述染料流动池并在所述染料介质上作用后产生放大的出射光，其中经第一级染料流动池放大后的一级放大光与泵浦光经第二级染料流动池放大后得到二级放大光，经第二级染料流动池放大后的二级放大光与泵浦光经第三极染料流动池放大后，最终产生窄线宽激光。本发明还提出了一种产生窄线宽脉冲激光的方法，其包括步骤一、分别入射种子光和泵浦光到第一级染料池并产生放大后的一级放大光；步骤二、经第一级染料流动池放大后的一级放大光与泵浦光经第二级染料流动池放大后产生二级放大光；步骤三、经第二级染料流动池放大后的二级放大光与泵浦光经第三级染料流动池放大后，最终产生窄线宽激光。(三)有益效果本发明的优点和效果是采用高功率脉冲泵浦光和窄线宽光源种子注入方式可获得窄线宽脉冲光源。采用三级染料放大技术可实现激光功率的放大。采用微型三维线性平移台、微型二维线性平移台、二维调整架、旋转台及其他们之间的组合可方便实现各个光学器件位置的调整，从而简单快捷调整光路。采用小孔和钻石孔可实现优异的光斑形状。
图1是本发明的脉冲染料放大器的结构框图；图2为本发明中染料流动池的安装架构图；。图3为本发明中分束片的安装架构图；图4为本发明中反射晶体的安装架构图。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。如图1所示，本发明提出的脉冲染料放大器包括第一块小孔101，第二块小孔102，平面反射镜2，第一块透镜301，第一染料流动池401，第一钻石孔501，第二块透镜302，第三块透镜303，第二染料流动池402，第二钻石孔502，第四透镜304，第五块透镜305，第三染料流动池403，第一分束片601，第六块透镜306，第二分束片602，第七块透镜307，第一反射晶体701，第二反射晶体702，面包板，第一染料循环泵801和第二染料循环泵802。所述第一块小孔，第二块小孔固定于高度方向可调的支撑杆架上，小孔大小在Imm 20mm之间可调。所说平面反射镜固定于由二维调整架和支撑杆组成的组合架上，所述第一块透镜，第一染料流动池，第一钻石孔，第二块透镜，第三块透镜，第二染料流动池，第二钻石孔，第四块透镜，第五块透镜，第三染料流动池固定于微型三维线性平移台上。所述第一分束片，第二分束片固定于由微型二维线性平移台和二维调整架组成组合架上，第六块透镜，第七块透镜固定于微型二维线性平移台上。所述的第一反射晶体，第二反射晶体固定于水平方向可旋转高度可升降的旋转台上。所述面包板是带有I英寸间距螺纹孔的安装平台。上述通过调整二维调整架可实现对在竖直方向和水平方向的角度调整。通过调整微型二维线性平移台可实现水平面的X方向和Y方向调整。通过调整微型三维线性平移台可实现三维空间的X方向、Y方向、Z方向的调整。通过旋转台可改变器件高度和在水平方向上的角度。所述染料循环泵用于不断循环所述染料流动池内的染料介质。通过小孔和钻石孔获得良好的光斑形状。通过调整上述各个器件的位置实现大功率泵浦光和窄线宽种子光在三级染料池的染料介质上最大程度重合。如图2所示，所述染料流动池的安装组合架构包括微型三维平移台2001，染料流动池安装架2002，染料流动池2003 ;其中，所述染料流动池安装在所述染料流动池安装架上，所述染料流动池安装架安装在所述微型三维平移台上。如图3所示，所述分束片的安装组合架构包括精密二维调整架3001，分束片3002，微型二维平移台3003 ;其中，所述分束片安装在精密二维调整架上，而所述精密二维调整架安装在微型二维平移台上。如图4所示,所述反射晶体的安装组合架构包括反射晶体4001,带有夹持件的旋转台4002，所述反射晶体安装在所述带有用于夹持反射晶体的夹持件的旋转台上。
由于经染料流动池后放大的光与种子光的光路走向相同，所以本发明的一个优选实施例中使用种子光来确定光路上各个装置的位置。经扩束准直后的种子光的光路走向如图1所示。种子光先经过第一小孔101和第二小孔102，经平面反射镜2反射后由平凸透镜301汇聚穿过第一染料流动池401，其中所述经平面镜2的反射光与入射光成垂直。所述穿过第一染料流动池401的种子光的焦点位置位于第一钻石孔501处。种子光穿过第一钻石孔501后由双凹透镜302发散，再由双凸透镜303汇聚穿过第二染料流动池402，所述穿过第二染料流动池402的种子光的焦点位置位于第二钻石孔502处。种子光穿过第二钻石孔502后由双凹透镜304和双凸透镜305扩束准直后穿过第三染料流动池403。大功率泵浦光经由第一分束片601分束，经所述第一分束片601分束后得到的反射光( 14% )由柱透镜306汇聚到第一染料流动池401上，而经所述第一分束片601分束后得到的透射光( 86% )由第二分束片602进一步分束，经所述第二分束片602分束后得到的反射光( 19% )由柱透镜307汇聚到第二染料流动池402上，而经所述第二分 束后得到的透射光(81% )经过第一反射晶体701、第二反射晶体702后斜入射穿过第三染料流动池403。染料流动池内采用的染料介质为Rhodamine 101 (也叫Rhodamine640Perchlorate)和 Sulforhodamine B (Kiton Red 620)。在 532nm 激光泵浦情况下，溶解在甲醇溶剂中的Sulforhodamine B福射的突光光谱范围为578nm-606nm,强度最大的中心波长为584nm。溶解在甲醇溶剂中的Rhodamine 101射的荧光光谱范围为589nm_623nm，强度最大的中心波长为602nm。种子光水平入射穿过第一小孔101和第二小孔102。通过高度可调的两个小孔可保证入射光的光路位置。改变小孔到合适大小可优化调整种子光的功率和形状。平面反射镜2镀有全反射膜，反射率可达99%以上，其安装于二维调整架上，通过在竖直方向和水平方向调整镜片角度可保证反射后光束水平出射。透镜301、302和303两面镀有增透膜，安装于微型三维平移台上，垂直于光轴方向的调整可保证光束沿透镜中心穿过，沿着光轴方向调整可改变汇聚后的焦点位置，保证汇聚后的激光以最大体积穿过染料流动池401、402内的染料介质。调整第一钻石孔501和第二钻石孔502的位置保证其位于种子光束汇聚的焦点处。通过调整所述第一分束片601的指向和透镜306的位置，保证泵浦光的反射光与所述种子光在第一染料流动池401内最大程度的重合，从而获得最佳线型的一级放大光。同样调整所述第二分束片602的指向和透镜307的位置，保证泵浦光的反射光与所述种子光在第二染料流动池402内最大程度的重合，从而获得最佳线型的二级放大光。调整透镜304和305的位置准直优化光束发散角到需要大小并穿过第三染料流动池403。反射晶体702的旋转台尽量靠近种子光束而不遮挡种子光束。调整反射晶体701和702的角度保证泵浦光和种子光在第三染料流动池403内的染料介质上最大程度重合。第一染料流动池401和第二染料流动池402内染料介质为同一种浓度的染料介质，染料介质溶于高纯度甲醇溶剂中，其浓度为每1000毫升甲醇含Rhodamine 101的量为9. 16毫克和Sulforhodamine B的量为44. 3毫克，染料溶剂由第一染料循环泵801抽运循环，流速为每分钟7升。第三染料流动池403内染料介质同样溶于高纯度甲醇溶剂中，其浓度为每1000毫升甲醇含Rhodamine 101的量为1. 9毫克和Sulforhodamine B的量为14. 3毫克，染料溶剂由第二染料循环泵802抽运循环，流速也为每分钟7升。
本发明的一个优选实施例中，选用589nm的种子光和532nm的脉冲泵浦光，所产生的是589nm窄线宽脉冲激光。第一染料流动池401和第二染料流动池402放置角度关于竖直方向对称，角度尽可能大以染料流动池安装架不遮挡种子光束为宜。第三染料池403表面法线的角度与入射的种子光束成布儒斯特角。可见，所述脉冲染料放大器通过脉冲泵浦光和窄线宽种子光在特定配比浓度的染料介质中的相互作用实现激光功率的放大，经三级放大后获得需要的窄线宽脉冲激光光源。第一级放大由一部分分束片分束后的脉冲泵浦光和窄线宽种子光在一块染料流动池内染料介质内实现，第一级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块染料流动池的染料介质上作用实现第二级放大，剩余泵浦光和二级放大后的激光在第二块染料流动池的染料介质上作用实现第三级放大。图1中出射光即为经三级放大后的激光。以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详 细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种产生窄线宽脉冲激光的脉冲染料放大器，其包括三级染料流动池，所述染料流动池内装有染料介质，当种子光和泵浦光入射到所述染料流动池并在所述染料介质上作用后产生放大的出射光，其中经第一级染料流动池放大后的一级放大光与泵浦光经第二级染料流动池放大后得到二级放大光，经第二级染料流动池放大后的二级放大光与泵浦光经第三极染料流动池放大后，最终产生窄线宽脉冲激光。
2.如权利要求1所述的脉冲染料放大器，其特征在于，所述脉冲染料放大器还包括第一分束片和第二分束片，所述泵浦光经第一分束片分束后的反射光入射所述第一级染料流动池，而经所述第一分束片分束后的透射光经第二分束片分束后，得到的反射光入射所述第二级染料流动池，经所述第二分束片分束后的透射光入射所述第三级染料流动池。
3.如权利要求2所述的脉冲染料放大器，其特征在于，所述脉冲染料放大器还包括第一透镜和第二透镜，所述经第一分束片分束后的泵浦光的反射光经所述第一透镜入射到所述第一级染料流动池，所述经第二分束片分束后的泵浦光的反射光经所述第二透镜入射到所述第二级染料流动池，通过调整所述第一分束片、第二分束片的指向和第一透镜、第二透镜的位置，使得所述种子光和泵浦光分别在所述第一级染料流动池和第二染料流动池内最大程度的重合。
4.如权利要求2所述的脉冲染料放大器，其特征在于，所述脉冲染料放大器还包括第一反射晶体和第二反射晶体，经第二分束片分束后的泵浦光的透射光经第一反射晶体和第二反射晶体后斜入射到所述第三级染料流动池，通过调整第一反射晶体和第二反射晶体的角度使得泵浦光和种子光在第三级染料流动池内最大程度的重合。
5.如权利要求1所述的脉冲染料放大器，其特征在于，所述第一级染料流动池、第二级染料流动池和第三级染料流动池内的染料介质相同，第一级染料流动池和第二级染料流动池内的染料介质的配比浓度相同，但不同于第三级染料流动池内的染料介质的配比浓度。
6.如权利要求1所述的脉冲染料放大器，其特征在于，所述第一级染料流动池和第二级染料流动池的放置角度关于垂直方向对称，而第三级染料流动池表面法线的角度与入射的种子光成布儒斯特角。
7.如权利要求5所述的脉冲染料放大器，其特征在于，所述三级染料流动池分别安装在微型三维平移台上；所述第一分束片和第二分束片分别安装在精密二维调整架上，而所述精密二维调整架安装在微型二维平移台上；所述第一反射晶体和第二反射晶体分别安装在带有夹持件的旋转台上。
8.如权利要求1所述的脉冲染料放大器，其特征在于，所述脉冲染料放大器还包括第一小孔、第二小孔、平凸透镜和平面反射镜，所述种子光先经过所述第一小孔和第二小孔，然后经所述平面反射镜反射后由所述平凸透镜汇聚入射到第一级染料流动池。
9.如权利要求8所述的脉冲染料放大器，其特征在于，所述脉冲染料放大器还包括第一钻石孔、第二钻石孔、第一双凹透镜、第二双凹透镜、第一双凸透镜和第二双凸透镜；所述经第一级染料流动池放大后的一级放大光穿过第一钻石孔后由第一双凹透镜发散，再由第一双凸透镜汇聚后入射第二级染料流动池，经所述第二级染料流动池再次放大后的二级放大光穿过第二钻石孔后由第二双凹透镜和第二双凸透镜扩束准直后入射第三级染料流动池。
10.如权利要求1所述的脉冲染料放大器，其特征在于，所述第一级染料流动池和第二级染料流动池内的染料介质的浓度配比为每1000毫升甲醇含9. 16毫克的Rhodamine 101和44. 3毫克Sulforhodamine B，第三级染料流动池内的染料介质的浓度配比为每1000毫升甲醇含1. 9毫克的Rhodamine 101和14. 3毫克的Sulforhodamine B ;所产生的窄线宽脉冲激光为589nm的脉冲激光。
11.一种产生窄线宽脉冲激光的方法，其包括 步骤一、分别入射种子光和脉冲泵浦光到第一级染料池并产生放大后的一级放大光；步骤二、经第一级染料流动池放大后的一级放大光与泵浦光经第二级染料流动池放大后广生~.级放大光; 步骤三、经第二级染料流动池放大后的二级放大光与泵浦光经第三级染料流动池放大后，最终产生窄线宽脉冲激光。
全文摘要
本发明公开了一种产生窄线宽激光的脉冲染料放大器，其包括三级染料流动池，所述染料流动池内装有染料介质，当连续型窄线宽种子光和脉冲泵浦光入射到所述染料流动池并在所述染料介质上作用后产生放大的出射光，其中经第一级染料流动池放大后的一级放大光与泵浦光经第二级染料流动池放大后得到二级放大光，经第二级染料流动池放大后的二级放大光与泵浦光经第三极染料流动池放大后，最终产生窄线宽脉冲激光。其中，可以使用589nm的种子光和532nm的脉冲泵浦光来产生589nm的窄线宽脉冲激光。
文档编号H01S3/23GK103022889SQ20121055872
公开日2013年4月3日 申请日期2012年12月20日 优先权日2012年12月20日
发明者李陶, 方欣, 窦贤康 申请人:中国科学技术大学