本實(shí)用新型涉及激光技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種染料激光器。

背景技術(shù)：

自從1960年世界上第一臺(tái)紅寶石激光器問(wèn)世，50多年來(lái)，激光技術(shù)發(fā)展迅猛，已與多個(gè)學(xué)科相結(jié)合形成多個(gè)應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，比如激光加工技術(shù)，激光檢測(cè)與計(jì)量技術(shù)，激光光譜分析技術(shù)，非線性光學(xué)，激光化學(xué)，激光雷達(dá)以及大氣環(huán)境的光譜檢測(cè)等。隨著激光技術(shù)的迅速發(fā)展，激光技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域所起的作用越來(lái)越巨大，從軍用到民用，從科研到教學(xué)，從工業(yè)到農(nóng)副業(yè)等眾多領(lǐng)域。

染料激光器是以某種有機(jī)染料溶解于一定溶劑(甲醇、乙醇、水等)中作為激活介質(zhì)的激光器。1964年，Stockman最早對(duì)有機(jī)染料激光器展開實(shí)驗(yàn)研究；自從1966年Sorokin和Lankard用紅寶石激光器抽運(yùn)花菁類染料首次獲得激光輻射，染料激光器開始迅速發(fā)展。1967年，Soffer和Farland用衍射光柵取代諧振腔的一個(gè)反射鏡，不僅使光譜得到壓縮(從6nm壓縮到了0.06nm)，而且還獲得了45nm的連續(xù)可調(diào)諧范圍，使波長(zhǎng)可調(diào)諧的染料激光器得到發(fā)展。在染料激光器發(fā)展的初期，由于染料分子三重態(tài)積累引起的損耗，只能實(shí)現(xiàn)脈沖運(yùn)轉(zhuǎn)；到1969年，三重態(tài)為氧所猝滅能很快地減少其穩(wěn)態(tài)粒子數(shù)得以發(fā)現(xiàn)，從而可允許連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)；1970年，Peterson等人實(shí)現(xiàn)了連續(xù)波染料激光器的運(yùn)轉(zhuǎn)。就這樣，染料激光器的可調(diào)諧范圍寬廣、輸出功率高、吸收和增益容易控制(因?yàn)槿玖蠞舛热菀卓刂?、可產(chǎn)生連續(xù)波等優(yōu)點(diǎn)逐個(gè)得到開發(fā)，并且得到廣泛的應(yīng)用。

染料激光的調(diào)諧范圍為0.3～1.2微米，是應(yīng)用最多的一種可調(diào)諧激光器。它是一種優(yōu)良的可調(diào)諧激光器，具有輸出譜線范圍寬、功率高等特點(diǎn)。染料激光器最吸引人的特性是它的激光波長(zhǎng)在很寬的范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，隨著染料激光器性能不斷改進(jìn)和提高, 應(yīng)用面將會(huì)愈來(lái)愈廣泛。而與此同時(shí)，在工程應(yīng)用中，對(duì)激光器的可靠性、工程化、穩(wěn)定性、可裝配性、多功能性、操作方便的要求也越來(lái)越高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了提高激光器的可靠性、穩(wěn)定性、可裝配性、多功能性、操作方便等性能，本實(shí)用新型提供了一種染料激光器。

本實(shí)用新型為實(shí)現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案是：一種染料激光器，包括一線式結(jié)構(gòu)的振蕩級(jí)染料池5、預(yù)放級(jí)染料池7和放大級(jí)染料池8，泵浦光1傳播方向上設(shè)有半波片10和偏振分束片11，偏振分束片11與振蕩級(jí)染料池5之間的光路上設(shè)有柱面凸透鏡13和柱面凹透鏡14，偏振分束片11與預(yù)放級(jí)染料池7之間的光路上設(shè)有反射鏡12、半波片10、偏振分束片11、柱面凸透鏡13和柱面凹透鏡14，預(yù)放級(jí)染料池7光路上的偏振分束片11與放大級(jí)染料池8之間設(shè)有反射鏡12和柱面凸透鏡14，振蕩級(jí)染料池5輸出的振蕩光路上設(shè)有一維擴(kuò)束鏡組合4、方形反射鏡5和反射光柵2，振蕩級(jí)染料池5和預(yù)放級(jí)染料池7之間設(shè)有振蕩級(jí)輸出耦合腔鏡6，預(yù)放級(jí)染料池7和放大級(jí)染料池8之間設(shè)有凸透鏡15、16。

所述振蕩級(jí)染料池5和預(yù)放級(jí)染料池7由兩組平行的石英片組成，泵浦光入射面兩片石英片相互平行，振蕩光出射面有5°的夾角，石英片傾斜放置，振蕩光的出射面與水平面的夾角35°。

所述振蕩級(jí)輸出耦合腔鏡6為兩面平行的鏡片，一面鍍?cè)鐾改ぁ?/p>

所述放大級(jí)染料池8為中間帶柱狀孔的等腰直角棱鏡。

所述振蕩級(jí)染料池5和預(yù)放級(jí)染料池7通過(guò)染料導(dǎo)管22連接，振蕩級(jí)染料池5、預(yù)放級(jí)染料池7通過(guò)染料導(dǎo)管22連接同一個(gè)循環(huán)泵。

振蕩級(jí)染料池5設(shè)有調(diào)節(jié)架，調(diào)節(jié)架上設(shè)有用于振蕩光的水平位置和方向調(diào)節(jié)的微調(diào)螺絲30、31、32。

本實(shí)用新型的染料激光器，該染料激光器分為振蕩級(jí)、預(yù)放級(jí)、放大級(jí)，并采用一線式結(jié)構(gòu)，輸出光所經(jīng)光學(xué)元件少，損耗小的同時(shí)易于調(diào)節(jié)，并且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定能承受較大的振動(dòng)以及溫度變化；輸出激光與染料池之間以布魯斯特角入射，減少了反射損失，并且不使用額外的光學(xué)元件獲得了較純的偏振態(tài)輸出；采用豎直振蕩腔，輸出激光與染料池之間以布魯斯特角入射，減少了反射損失的同時(shí)獲得了較純的偏振態(tài)輸出；同時(shí)在泵浦光路上利用半波片和偏振分束片的組合，使得泵浦光在振蕩級(jí)、預(yù)放級(jí)、放大級(jí)三級(jí)上的分配可以輕松連續(xù)調(diào)節(jié)，能在各種不同泵浦環(huán)境中得到最好的輸出；其中振蕩級(jí)為一體結(jié)構(gòu)，較穩(wěn)固，對(duì)振動(dòng)以及外界溫度變化有較強(qiáng)的忍受能力。

附圖說(shuō)明

圖1是本實(shí)用新型染料激光器原理圖。

圖2是本實(shí)用新型染料激光器俯視原理圖。

圖3是本實(shí)用新型染料激光器振蕩級(jí)中的染料池調(diào)節(jié)架結(jié)構(gòu)圖。

圖4是本實(shí)用新型染料激光器放大級(jí)中染料池的光學(xué)原理圖。

圖5是該本實(shí)用新型染料激光器整體俯視結(jié)構(gòu)圖。

圖中：1、振蕩光，2、反射光柵，3、方形反射鏡，4、一維擴(kuò)束鏡組合，5、振蕩級(jí)染料池，6、振蕩級(jí)輸出耦合腔鏡，7、預(yù)放級(jí)染料池，8、放大級(jí)染料池，9、激光器輸出光，10、半波片，11、偏振分束片，12、反射鏡，13、柱面凸透鏡，14、柱面凹透鏡，15、凸透鏡，16、凸透鏡，18、光柵一階衍射光，20、豎直擴(kuò)束后的振蕩光，22、染料導(dǎo)管，24、振蕩光，30、微調(diào)螺絲，31、微調(diào)螺絲，32、微調(diào)螺絲。

具體實(shí)施方式

本實(shí)用新型的染料激光器原理和結(jié)構(gòu)如圖1、2和5所示，光路系統(tǒng)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產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，通常來(lái)自于Nd:YAG激光器，準(zhǔn)分子激光器等；

反射光柵2：將振蕩染料池出來(lái)的激光衍射，使得不同波長(zhǎng)的激光射向不通的方向（；

方形反射鏡3：可以通過(guò)改變角度來(lái)選擇反射光柵散射出的光，形成振蕩；

一維擴(kuò)束鏡組合4：把入射的振蕩光在豎直維度上放大20~40倍，減少對(duì)光柵的損害以及可以實(shí)現(xiàn)光柵上較大的入射角度，減少被反射的光，提高光柵效率，縮小輸出激光的線寬；

振蕩級(jí)染料池5：由兩組接近平行的石英片組成。泵浦光入射的那面，兩片石英片相互平行，振蕩光出射的那兩面，有5°的夾角。并且傾斜放置，振蕩光的出射面與水平面的夾角大約35°，使得振蕩光能以55°的布魯斯特角入射，一方面可以減少反射損失，另一方面可以在不用額外光學(xué)元件的情況下獲得高純的偏振激光；

振蕩級(jí)輸出耦合腔鏡6：一兩面平行的鏡片，一面鍍?cè)鐾改?，增透波長(zhǎng)350~950nm（可按輸出激光波長(zhǎng)選擇對(duì)應(yīng)范圍），透過(guò)率大于99.9%。另一面不鍍膜，使得對(duì)全波長(zhǎng)的光都有大約4%的反射率，這部分反射的光對(duì)于增益極大的染料激光是適用的，能形成振蕩放大；

預(yù)放級(jí)染料池7：由兩組接近平行的石英片組成。泵浦光入射的那面，兩片石英片相互平行，振蕩光出射的那兩面，有5°的夾角。并且傾斜放置，振蕩光的出射面與水平面的夾角大約35°，使得振蕩光能以55°的布魯斯特角入射。方向可以與振蕩級(jí)染料池5相反，用以調(diào)節(jié)輸出激光至同一水平高度。方向也可以與振蕩級(jí)染料池5相同，而只用后面的光束調(diào)節(jié)鏡來(lái)改變輸出光束的位置和方向；

放大級(jí)染料池8：其結(jié)構(gòu)如圖4所示，由一中間帶柱狀孔的等腰直角棱鏡組成，輸出激光由柱狀孔的一端射入放大后由另一端輸出。泵浦光垂直入射于直角棱鏡的長(zhǎng)邊，一部分光直接入射泵浦柱狀孔中的染料，另一部分通過(guò)直角棱鏡的短邊反射后入射泵浦柱狀孔中的染料。用這種染料池可以承受極高能量的泵浦光并且能獲得光束質(zhì)量好，分布均勻的輸出激光；

激光器輸出光9：由泵浦光照射振蕩級(jí)染料池產(chǎn)生，經(jīng)光柵選擇波長(zhǎng)在振蕩級(jí)中振蕩放大后輸出，然后經(jīng)過(guò)預(yù)放級(jí)初步放大，再由整形鏡對(duì)調(diào)整位置和發(fā)散度后最終經(jīng)過(guò)放大級(jí)放大后輸出；

半波片10：改變泵浦光的偏振，從而使得泵浦光在后面的偏振分束片處有不同的透過(guò)率和反射率；

偏振分束片11：完全透過(guò)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）；

反射鏡12：可以以45°入射角反射泵浦光，反射率大于99%；

柱面凸透鏡13：聚焦方向在豎直方向的柱面凸透鏡，用來(lái)把泵浦光壓縮成切面為水平方向上的線狀光束。并且柱面凸透鏡安裝在一個(gè)可以旋轉(zhuǎn)和高低伸縮的支架上，可以用來(lái)調(diào)節(jié)線狀光束的高低和與水平面的夾角；

柱面凹透鏡14：發(fā)散方向在水平方向的柱面凹透鏡，用來(lái)把泵浦光在水平方向上發(fā)散，降低染料池的壓力同時(shí)增加染料泵浦長(zhǎng)度。并且柱面凹透鏡安裝在一個(gè)可以高低伸縮的支架上，可以用來(lái)調(diào)節(jié)線狀光束的高低位置；

凸透鏡15：輸出激光在預(yù)放級(jí)和放大級(jí)之間所經(jīng)過(guò)的凸透鏡，與凹透鏡16組合使用用以改變輸出激光的位置、方向、發(fā)散度，使得輸出激光在放大級(jí)中充分放大；

凸透鏡16：輸出激光在預(yù)放級(jí)和放大級(jí)之間所經(jīng)過(guò)的凹透鏡，與凸透鏡15組合使用用以改變輸出激光的位置、方向、發(fā)散度，使得輸出激光在放大級(jí)中充分放大；

光柵一階衍射光18：振蕩光經(jīng)光柵衍射出的一階衍射光，經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)的方形反射鏡17反射后實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)的選擇；

豎直擴(kuò)束后的振蕩光20：振蕩光經(jīng)一維擴(kuò)束鏡組合21豎直擴(kuò)大后的光，放大倍數(shù)20~40，減少對(duì)光柵的損害以及可以實(shí)現(xiàn)光柵上較大的入射角度，減少被反射的光，提高光柵效率，縮小輸出激光的線寬；

振蕩光24：振蕩染料池經(jīng)泵浦之后輻射出振蕩光，它以布魯斯特角入射振蕩級(jí)染料池；

片狀泵浦光28：用來(lái)泵浦振蕩級(jí)染料輻射出振蕩光；

微調(diào)螺絲30、31、32：可以調(diào)節(jié)振蕩光的水平位置和方向；

該技術(shù)方案除了光路系統(tǒng)還包括：

染料循環(huán)泵：用以驅(qū)動(dòng)液體染料溶液循環(huán)起來(lái)，泵的速率一般為1升/分, 激勵(lì)區(qū)的流速約為1米/秒；

染料導(dǎo)管22：用來(lái)輸送液體染料的管道，連接染料池與染料循環(huán)泵，要求不能溶解于染料的有機(jī)溶劑，其中振蕩級(jí)染料池和預(yù)放級(jí)染料池用一段染料導(dǎo)管連接如圖2中所示。該技術(shù)方案中振蕩級(jí)和預(yù)放級(jí)公用一個(gè)循環(huán)泵，使用同一濃度的染料，而放大級(jí)用另一循環(huán)泵，用另一濃度的染料；

直線導(dǎo)軌以及滑塊：伸縮改變長(zhǎng)度從而牽動(dòng)帶軸承和杠桿，改變振蕩級(jí)的方形反射鏡3的角度來(lái)改變輸出激光的波長(zhǎng)；

機(jī)電控制單元：用以控制直線導(dǎo)軌來(lái)改變輸出激光波長(zhǎng)；

激光器外殼：染料激光器的外部結(jié)構(gòu)；

泵浦光1傳播方向上設(shè)有半波片10和偏振分束片11，偏振分束片11與振蕩級(jí)染料池5之間的光路上設(shè)有柱面凸透鏡13和柱面凹透鏡14，偏振分束片11與預(yù)放級(jí)染料池7之間的光路上設(shè)有反射鏡12、半波片10、偏振分束片11、柱面凸透鏡13和柱面凹透鏡14，預(yù)放級(jí)染料池7光路上的偏振分束片11與放大級(jí)染料池8之間設(shè)有反射鏡12和柱面凸透鏡14，振蕩級(jí)染料池5輸出的振蕩光路上設(shè)有一維擴(kuò)束鏡組合4、方形反射鏡5和反射光柵2，振蕩級(jí)染料池5和預(yù)放級(jí)染料池7之間設(shè)有振蕩級(jí)輸出耦合腔鏡6，預(yù)放級(jí)染料池7和放大級(jí)染料池8之間設(shè)有凸透鏡15、16。

如圖1所示，當(dāng)振蕩光1射入染料激光器之后，會(huì)被半波片10、偏振分束片11和反射鏡12分成3部分，分別用于泵浦振蕩級(jí)染料池5、預(yù)放級(jí)染料池7和放大級(jí)染料池8。泵浦振蕩級(jí)染料池和預(yù)放級(jí)染料池的泵浦光都會(huì)經(jīng)過(guò)柱面凸透鏡13和柱面凹透鏡14整形成切面接近水平的線狀光束；而泵浦放大級(jí)染料池的泵浦光只需要進(jìn)行凹透鏡14進(jìn)行水平放大，而不需要進(jìn)行豎直壓縮。

如圖2所示，當(dāng)泵浦光照射到振蕩級(jí)染料池23之后會(huì)在染料池的側(cè)壁內(nèi)平面內(nèi)沿著線狀泵浦光輻射出振蕩光24。振蕩光入射到振蕩級(jí)輸出耦合腔鏡25上之后，反射回大約4%再經(jīng)過(guò)振蕩級(jí)染料池放大后輸出進(jìn)入一維擴(kuò)束鏡組合21，在豎直方向上光斑放大20~40倍后入射到反射光柵19。光柵的零階光直接反射損失掉；而光柵一階衍射光18會(huì)被方形反射鏡17垂直原路返回而形成振蕩；通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)改變方形反射鏡的角度可以選擇目標(biāo)輸出激光波長(zhǎng)。振蕩光25離開振蕩級(jí)之后先經(jīng)過(guò)預(yù)放級(jí)染料池26初步放大，然后經(jīng)過(guò)凹凸鏡整形、改變位置和方向后輸入放大級(jí)染料池27放大后最終輸出。

如圖2所示，振蕩級(jí)染料池23和預(yù)放級(jí)染料池26通過(guò)一段染料導(dǎo)管連接，使用同一染料溶液和染料循環(huán)泵。

如圖3所示，振蕩光的水平位置和方向調(diào)節(jié)是通過(guò)微調(diào)螺絲30、31、32實(shí)現(xiàn)的，可以實(shí)現(xiàn)振蕩光水平方向的5mm的平移以及+-10°方向的調(diào)節(jié)；而振蕩光豎直位置的調(diào)節(jié)是通過(guò)圖1中的偏振分束片11以及柱面凸透鏡13實(shí)現(xiàn)的。

如圖4所示，要使用放大級(jí)只需要把泵浦光水平擴(kuò)大，并不需要豎直壓縮，并且可以承受極高的泵浦能量。放大級(jí)染料池由一中間帶柱狀孔的等腰直角棱鏡組成，輸出激光由柱狀孔的一端射入放大后由另一端輸出。泵浦光垂直入射于直角棱鏡的長(zhǎng)邊，一部分光直接入射泵浦柱狀孔中的染料，另一部分通過(guò)直角棱鏡的短邊反射后入射泵浦柱狀孔中的染料，用這種染料池可以承受極高能量的泵浦光并且能獲得光束質(zhì)量好，分布均勻的輸出激光。