染料激光器用染料池、染料激光器及其染料循环控制方法

本发明涉及脉冲激光，特别是涉及一种染料激光器用染料池、染料激光器及其染料循环控制方法。

背景技术：

1、（一）术语解释

2、串脉冲激光器（英文全称：burst-modelaser）：以短时间内（如毫秒级）输出一系列高重复频率脉冲序列为特征的激光器，脉冲序列内脉冲重复频率可达khz级。

3、染料激光器（英文全称：dyelaser）：以染料分子为增益介质，通过泵浦源激发染料分子产生受激辐射，可实现宽范围波长调谐的激光器。

4、泵浦（英文全称：pumping）：通过外部能量（如激光、电激励等）将增益介质（如染料分子）的粒子从基态激发至高能级，为激光产生提供能量基础的过程。

5、激光漂白（英文全称：laserbleaching）：染料分子在高重复频率泵浦激光作用下，快速吸收能量达到饱和，分子结构受损或发光能力暂时/永久丧失的现象。

6、（二）相关现有技术及其存在的技术问题

7、传统的波长调谐技术是将大能量的1微米波长的激光转化为其他波长的激光，得到连续可变的可调激光。常用的技术为染料激光器或者光学参量振荡器（opo）。染料激光技术成熟可靠，用固体激光的输出能量泵浦罗丹明6g等染料分子，染料分子激发后发出波长更长的光，以此作为光源，通过光腔和光栅选择所需要的波长，产生可调谐激光输出。

8、现有的染料激光器核心部分为染料池。染料池材料为石英玻璃，截面尺寸约为5mm以匹配固体激光输出，长度约为10-20mm以匹配激光能量。其配置的流体力学系统主要通过液体泵实现染料池内染料的循环。

9、然而这种传统染料激光器的流体力学系统设计所适用的激光频率及能量相对较低，仅可匹配低频10hz激光器，不能匹配高重复频率的泵浦激光。当使用高重复频率泵浦激光时会产生激光漂白现象，例如，当泵浦激光重复频率为10khz时，激光脉冲间隔为100微秒，此时传统染料激光器的流体力学系统来不及更新染料池内的染料。而没被及时更新的染料吸收能量达到饱和容易沸腾，从而导致输出光斑均匀性、能量及稳定性大幅降低，染料寿命也急剧缩短，需要更频繁更换染料，造成染料浪费的同时也增加了染料成本。

10、因此，本发明提出一种新型的染料激光器用染料池及染料激光器，使染料传感器能够匹配高重复频率泵浦激光，并进行高流量染料循环，以解决上述传统染料激光器存在的激光漂白，染料寿命急剧缩短，输出光斑均匀性、能量及稳定性大幅降低等问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种新型的染料激光器用染料池、染料激光器及其染料循环控制方法，其能够实现高流量染料循环，彻底避免激光漂白，10khz高重复频率泵浦激光下仍能保持稳定输出，以解决上述现有技术存在的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、一方面，本发明提供一种染料激光器用染料池，包括染料池本体和开设于所述染料池本体内部的染料通道，所述染料通道两端分别贯通所述染料池主体的两端，所述染料通道的断面面积自通道两端向通道中部逐渐缩小。

4、在一些实施方式中，所述染料通道中，通道断面面积最小的缩径位置位于所述染料通道的长度方向的1/2分界点处，所述染料通道自所述缩径位置向所述染料通道两端均匀且对称扩径。

5、在一些实施方式中，所述染料通道的任意一处断面形状均为圆形、椭圆形或多边形。

6、在一些实施方式中，所述染料池主体四面透光，所述染料池本体上还配置有观察窗。

7、在一些实施方式中，所述染料池主体的两端分别配置有输入端高压密封接头和输出端高压密封接头。

8、另一方面，本发明提出一种染料激光器，包括高重复频率泵浦源、蓄能器和上述任意一项所述的染料激光器用染料池，所述高重复频率泵浦源用于向染料提供高重复频率泵浦能量，所述蓄能器与所述染料池的输入端密封连接，所述染料池的输出端与染料容器密封连接，所述染料容器与所述蓄能器相连；所述染料池与所述染料容器的连接路径上设置有超高速电磁驱动阀门。

9、在一些实施方式中，所述高重复频率泵浦源为串脉冲固体激光，其被配置为：10khz重复频率，10ms宏脉冲宽度，100微秒脉冲间隔。

10、在一些实施方式中，所述染料激光器还包括用于驱动所述蓄能器的气体驱动系统，所述气体驱动系统能够驱动所述蓄能器以10l/s-15l/s的瞬时流量输出染料；

11、所述超高速电磁驱动阀门的响应时间≤50微秒。

12、在一些实施方式中，所述染料激光器还包括光腔与光栅选频组件，所述光腔与光栅选频组件能够在泵浦激发的宽谱光中选择所需要的波长，并产生可调谐激光输出。

13、本发明还提出了基于上述染料激光器实施的染料循环控制方法，包括：

14、通过所述高重复频率泵浦源输出10khz重复频率、10ms宏脉冲宽度的泵浦激光；

15、同时触发所述蓄能器和所述超高速电磁驱动阀门，并使所述蓄能器以10l/s-15l/s的瞬时流量将染料泵入染料池，实现10ms内染料池内染料的完全更换，且每个100微秒脉冲间隔内完成局部染料更新。

16、本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

17、本发明提出的染料激光器用染料池，染料通道采用流线型收缩段设计，可通过通道中部的缩径位置消除染料气泡，加速染料流体流速，有利于促进染料池内的染料循环。该染料池不仅具备耐压耐大流量特性，而且具备高密封性大流量特性，适配大流量染料流通与高压工况。

18、本发明提出的染料激光器，包括高重复频率泵浦源、高压气体驱动的蓄能器、超高速电磁驱动阀门和上述染料池。蓄能器与超高速电磁驱动阀门的配合实现了染料大流量高速释放，可促进染料池内染料的及时更新；染料池内缩径位置可及时将气泡挤出，并进一步加速染料流动，对染料池内染料更新时间的缩短起到了辅助作用，也避免了染料高速流动产生气泡，激光打到气泡上会影响泵浦效果的问题。蓄能器释放染料后，需重新让蓄能器中充满染料；通过蓄能器的来回释放介质，就能实现染料池内染料循环更迭。

19、除此之外，蓄能器、染料池以及染料容器顺次连接形成染料循环路径，再基于蓄能器、超高速电磁驱动阀门以及染料池缩径设计三者的协同配合，实现了染料激光器中高流量染料循环，10khz高重复频率泵浦激光下仍能保持稳定输出。

20、本发明基于串脉冲固体激光与染料激光的耦合，启动作为泵浦源的串脉冲固体激光输出10khz重复频率、10ms宏脉冲宽度的泵浦激光；同时触发蓄能器和超高速电磁驱动阀门，蓄能器的柱塞在高压气体作用下运动，以10l/s-15l/s的流量将染料泵入染料池，实现10ms内染料池内染料的完全更换（适配宏脉冲宽度），且每个100微秒脉冲间隔内完成局部染料更新，能彻底避免激光漂白。本发明在10khz高重复频率下仍能保持稳定输出，光斑均匀性误差≤5%，能量波动≤3%。

21、本发明可直接替代现有opo串脉冲激光器，适配流体成像、发动机燃烧诊断、工业高精度检测等高端场景，技术成熟可靠，推广性强。