一种管道式流动气体受激拉曼散射变频装置的制作方法

1.本发明涉及拉曼激光技术领域，具体地说是一种管道式流动气体受激拉曼散射变频装置。


背景技术：

2.受激拉曼散射技术是一种常见的激光变频方法，其优点在于装置设计简单，调试便捷，可以选择的受激拉曼介质多样，不同的拉曼介质对泵浦激光的光谱移动范围不同，如固体可以产生几十个波数的移动，而气体拉曼介质可以产生上千个波数的频移，所以使用拉曼变频的变换跨度比较大，可变波长丰富。目前常用的拉曼介质有晶体(如：金刚石，srwo4)、液体(如：h2o，cs2，c6h6)和气体(如：h2，ch4)，其中气体拉曼介质所产生的受激拉曼频移大，损伤阈值低，可用于大功率激光的波长变换，因此在多个领域获得了广泛应用。
3.在采用气体介质的拉曼变频装置中，激光聚焦位置处产生的热效应可以随着气体分子的运动而扩散，因此可以在一定的重复频率范围内保持拉曼变频装置的性能稳定。但是当受激拉曼变频过程中产生的热量较多或者使用的激光重复频率较高时，在激光聚焦位置处产生的热量就可能无法及时扩散出去，因此导致拉曼变频效率下降、光束漂移或者产生热畸变等不良后果，其原因包括热效应导致的拉曼池内气体密度不均匀(如热透镜效应)，或者温度不一导致的气体分子无序流动产生局部涡流等。这导致受激拉曼散射变频装置只能工作在较低的重复频率，或者无法适用于较大功率激光的拉曼变频。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种管道式流动气体受激拉曼散射变频装置，使拉曼介质循环流动且流动管路中的通光段保持较好的层流状态，在保证有效散热的同时，也减少气流不均匀或涡流导致的泵浦激光和拉曼激光的光路偏折畸变等情况，使发明可以用于大功率或较高重复频率激光的拉曼变频。
5.本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
6.一种管道式流动气体受激拉曼散射变频装置，包括气体循环主管路和气流驱动装置，所述气体循环主管路包括气流驱动段、通光段和连接段，且所述气流驱动段两端和通光段两端分别通过对应侧的连接段连通，所述气流驱动段设有气流驱动装置，所述通光段一端设有输入导光段、另一端设有输出导光段，且所述输入导光段上设有第一端管与对应侧的连接段连接，所述输出导光段上设有第二端管与对应侧的连接段连接，在所述输入导光段的入口设有激光输入窗口，在所述输出导光段的出口设有激光输出窗口，在所述输入导光段内设有第一气体导流窗，在所述输出导光段内设有第二气体导流窗，且所述第一气体导流窗和第二气体导流窗对称设置并均向外倾斜，所述第一端管外侧设有第一导流平衡管与所述输入导光段连通，所述第二端管外侧设有第二导流平衡管与所述输出导光段连通。
7.所述气体循环主管路设有弯管段，且所述气流驱动段两端分别通过弯管段与对应侧的连接段连接。
8.所述第一气体导流窗位于第一端管下方，所述第二气体导流窗位于第二端管下方，并且气体沿着第一气体导流窗和第二气体导流窗转弯流动。
9.所述第一气体导流窗与通光段中心轴线之间的夹角以及所述第二气体导流窗与通光段中心轴线之间的夹角均为α，所述α为45～65度。
10.所述激光输入窗口为聚焦透镜，且两侧镀有泵浦激光增透膜和拉曼激光高反膜，所述激光输出窗口两侧镀有泵浦激光和拉曼激光增透膜。
11.所述激光输入窗口焦距为f，所述激光输入窗口与激光输出窗口之间的距离为l，所述f和l满足0.45l≤f≤0.6l。
12.本发明的优点与积极效果为：
13.1、本发明利用气体循环结构使拉曼介质在拉曼变频装置内循环流动，并通过适当的管路设计，使气体循环主管路中供激光穿过的通光段部分保持较好的层流状态，不产生或仅产生极少量涡流，在保证有效散热的同时，使泵浦激光和拉曼激光在气体层流区域内穿过，减少气流不均匀或涡流导致的光路偏折畸变等，使本发明可以用于大功率较高重复频率激光的拉曼变频，本发明提高了拉曼变频装置在大功率激光领域的变频效果和稳定性，扩展了受激拉曼散射变频技术的应用范围。
14.2、本发明的气体循环主管路通过多段管道连接而成，可根据实际需要选择合适长度的管道进行组装，并且某段管道发生破损时只需将该段管道更换，其他部分管道可继续使用，降低成本。
附图说明
15.图1为本发明的结构示意图，
16.图2为图1中的a处放大图，
17.图3为图1中的b处放大图。
18.其中，1为气体循环主管路，101为气流驱动段，102为通光段，1021为第一端管，1022为第二端管，103为弯管段，104为连接段，2为气流驱动装置，3为第一导流平衡管，4为输入导光段，5为激光输入窗口，6为第一气体导流窗，7为第二气体导流窗，8为输出导光段，9为激光输出窗口，10为第二导流平衡管。
具体实施方式
19.下面结合附图对本发明作进一步详述。
20.如图1～3所示，本发明包括气体循环主管路1和气流驱动装置2，其中所述气体循环主管路1为多段管道连接而成的密闭管路，如图1所示，所述气体循环主管路1一侧为气流驱动段101、另一侧为通光段102，且所述气流驱动段101两端和通光段102两端分别通过连接段104连通，所述气流驱动段101设有气流驱动装置2用于驱动气流在所述气体循环主管路1内循环流动，所述气流驱动装置2为轴流风机或气泵等能驱动气体流动的装置，所述通光段102一端设有输入导光段4、另一端设有输出导光段8，如图2～3所示，所述输入导光段4上设有第一端管1021与对应侧的连接段104连接，在所述输入导光段4的入口设有激光输入窗口5，所述输出导光段8上设有第二端管1022与对应侧的连接段104连接，在所述输出导光段8的出口设有激光输出窗口9，所述输入导光段4内设有第一气体导流窗6，且所述第一气
体导流窗6位于第一端管1021下方，所述输出导光段8内设有第二气体导流窗7，且所述第二气体导流窗7位于第二端管1022下方，所述第一气体导流窗6和第二气体导流窗7对称设置并且均向外倾斜，所述第一端管1021外侧设有第一导流平衡管3与所述输入导光段4连通，所述第二端管1022外侧设有第二导流平衡管10与所述输出导光段8连通。
21.如图1所示，所述气体循环主管路1除所述气流驱动段101、通光段102和连接段104外还包括弯管段103，且所述气流驱动段101两端分别通过弯管段103与对应侧的连接段104连接，从而使气体循环主管路1形成一个密闭的循环管路。所述气体循环主管路1中的气流驱动段101为中空圆管，通光段102、弯管段103和连接段104为中空方管，所述气体循环主管路1内壁光滑无毛刺或凸起，以保持管路内部气体流场均匀，并且通光段102部分保持较好的层流状态，不产生或仅产生极少量涡流。另外所述气体循环主管路1设有可启闭的充气口用于充装气体。
22.如图1～3所示，所述第一气体导流窗6和第二气体导流窗7对称设置并且均向外倾斜，气体可沿着第一气体导流窗6和第二气体导流窗7转弯流动，为防止气体泄漏，所述第一气体导流窗6和第二气体导流窗7均密封设于对应的导光段中。所述第一气体导流窗6与通光段102中心轴线之间的夹角以及所述第二气体导流窗7与通光段102中心轴线之间的夹角均为α，所述α为45～65度，为减小光学窗口导致的光路偏折，所述第一气体导流窗6和第二气体导流窗7均采用厚度《3mm的薄光学元件。
23.如图1～3所示，所述第一导流平衡管3保证第一气体导流窗6两侧气压一致，所述第二导流平衡管10保证第二气体导流窗7两侧气压一致，因此所述第一气体导流窗6和第二气体导流窗7均不承压。
24.所述激光输入窗口5为聚焦透镜，且两侧镀有泵浦激光增透膜和拉曼激光高反膜，所述激光输出窗口9两侧镀有泵浦激光和拉曼激光增透膜。所述增透膜和高反膜均为本领域公知技术。
25.所述激光输入窗口5焦距为f，所述激光输入窗口5与激光输出窗口9之间的距离为l，所述f和l需满足0.45l≤f≤0.6l，以保证激光经所述激光输入窗口5输入后聚焦于通光段102中间位置并与高压气体作用发生受激拉曼散射。
26.本发明的工作原理为：
27.本发明为解决高重频受激拉曼散射过程中出现的光畸变或转化效率降低的问题，设计了利用循环气流散热的流动气体受激拉曼散射变频装置，通过适当设计使管路中的通光段102保持较好的层流状态，在保证有效散热的同时，也减少气流不均匀或涡流导致的泵浦激光和拉曼激光的光路偏折畸变等，下面例举两个实施例说明。
28.实施例一：基于流动co2气体的受激拉曼散射变频装置。
29.如图1所示，将压力为10atm的co2气体充入到密闭的气体循环主管路1中，控制气流驱动装置2(轴流风机)驱动高压co2气体顺时针流动，气流经过一侧连接段104进入通光段102中，由通光段102输出后再由另一侧连接段104进入气流驱动段101中，形成循环流动。本实施例通过控制气流驱动装置2(轴流风机)的转速控制气体流速，以适应不同的散热需求，第一导流平衡管3和第二导流平衡管10将气体循环主管路1分别与输入导光段4和输出导光段8连通，以确保所述第一气体导流窗6两侧受压一致以及所述第二气体导流窗7两侧受压一致。
30.本实施例中，所述第一气体导流窗6和第二气体导流窗7均为2mm厚度的熔融石英平片，与通过段102中心轴线的夹角α均为57度且对称设置，用来补偿激光透过隔离窗之后造成的光线偏折，所述激光输入窗口5为熔融石英平凸透镜，直径为d＝25mm，焦距为0.5m，两侧均镀有1064nm增透膜和1249nm高反膜，所述激光输出窗口9为熔融石英平面镜，两侧均镀有1064nm增透膜和1249nm增透膜，所述激光输入窗口5和激光输出窗口9之间的距离为1m。
31.本实施例采用输出电光调q的nd：yag脉冲激光器作为泵浦激光光源，输出波长为1064nm，脉宽10ns，激光单脉冲能量为1j，激光工作重复频率可调，最高为20hz。使用时将1064nm脉冲激光通过激光输入窗口5入射到输入导光段4中，并依次经过第一气体导流窗6、通光段102及第二气体导流窗7后射入输出导光段8中，然后再经过激光输出窗口9输出，其中1064nm激光经激光输入窗口5后在通光段102的中间位置聚焦，并与焦点区域的高压co2作用发生受激拉曼散射，产生1029nm的受激拉曼散射光，受激拉曼激光与剩余的1064nm泵浦光一起经激光输出窗口9出射。
32.当气流驱动装置2不转动时，气体循环主管路1内的高压co2气体不流动，激光器重复频率为1hz时，本实施例可以正常稳定工作，激光拉曼转化效率不随时间降低，输出拉曼激光光束无抖动或变形。当激光器重复频率为2hz时，本实施例可以正常稳定工作，激光拉曼转化效率不随时间降低，但输出拉曼激光光束出现轻微抖动和变形。当激光器重复频率为4hz时，激光拉曼转化效率随时间降低，输出拉曼激光光束出现明显抖动，受激拉曼激光光斑也出现显著变形，当激光器重复频率再增大时，受激拉曼激光在几秒内即严重退化甚至无法工作。
33.当气流驱动装置2转动时，本实施例可以稳定工作的重复频率明显提高，如风速为2m/s时，当激光器重复频率为5hz时，激光拉曼转化效率不随时间降低，输出拉曼激光光束无抖动或变形，当激光器重复频率为10hz时，激光拉曼转化效率不随时间降低，输出拉曼激光光束出现微弱抖动和变形；风速为5m/s时，当激光器重复频率为10hz时，激光拉曼转化效率不随时间降低，输出拉曼激光光束无抖动或变形，当激光器重复频率为20hz时，激光拉曼转化效率不随时间降低，输出拉曼激光光束出现微弱抖动和变形。
34.实施例二：基于流动n2气体的受激拉曼散射变频装置。
35.如图1所示，将压力为20atm的n2气体充入到密闭的气体循环主管路1中，控制气体驱动装置2(轴流风机)驱动高压n2气体顺时针流动，气流经过一侧连接段104进入通光段102中，由通光段102输出后再由另一侧连接段104进入气流驱动段101中，形成循环流动。本实施例通过控制气体驱动装置2(轴流风机)的转速控制气体流速，以适应不同的散热需求，第一导流平衡管3和第二导流平衡管10将气体循环主管路1分别与输入导光段4和输出导光段8连通，以确保所述第一气体导流窗6两侧受压一致以及所述第二气体导流窗7两侧受压一致。
36.本实施例中，所述第一气体导流窗6和第二气体导流窗7均为2mm厚度的熔融石英平片，与通过段102中心轴线的夹角α均为58度且对称设置，用来补偿激光透过气体导流窗之后造成的光线偏折，所述激光输入窗口5为熔融石英平凸透镜，直径为d＝25mm，焦距为0.8m，两侧均镀有532nm增透膜和607nm高反膜，所述激光输出窗口9为熔融石英平面镜，两侧均镀有532nm增透膜和607nm增透膜，所述激光输入窗口5和激光输出窗口9之间的距离为
1.55m。
37.本实施例采用输出电光调q的nd：yag脉冲激光器作为泵浦激光光源，输出波长为532nm，脉宽10ns，激光单脉冲能量为0.6j，激光工作重复频率可调，最高为30hz。使用时将532nm脉冲激光通过激光输入镜(5)入射到输入导光段4中，并依次经过第一气体导流窗6、通光段102及第二气体导流窗7后射入输出导光段8中，然后再经过激光输出窗口9输出，其中532nm激光经激光输入窗口5后在通光段的中间位置聚焦，并与焦点区域的高压n2作用发生受激拉曼散射，产生607nm的受激拉曼散射光，受激拉曼激光与剩余的532nm泵浦光一起经激光输出窗口9出射。
38.当气流驱动装置2不转动时，气体循环主管路1内的高压n2气体不流动，激光器重复频率为2hz时，本实施例可以正常稳定工作，激光拉曼转化效率不随时间降低，输出拉曼激光光束无抖动或变形。当激光器重复频率为3hz时，本实施例可以正常稳定工作，激光拉曼转化效率不随时间降低，但输出拉曼激光光束出现轻微抖动和变形。当激光器重复频率为5hz时，激光拉曼转化效率随时间降低，输出拉曼激光光束出现明显抖动，受激拉曼激光光斑也出现显著变形。当激光器重复频率再增大时，受激拉曼激光在几秒内即严重退化甚至无法工作。
39.当气流驱动装置2转动时，本实施例可以稳定工作的重复频率明显提高，如风速为2m/s时，当激光器重复频率为5hz时，激光拉曼转化效率不随时间降低，输出拉曼激光光束无抖动或变形，当激光器重复频率为10hz时，激光拉曼转化效率不随时间降低，输出拉曼激光光束出现微弱抖动和变形；风速为5m/s时，当激光器重复频率为15hz时，激光拉曼转化效率不随时间降低，输出拉曼激光光束无抖动或变形，当激光器重复频率为30hz时，激光拉曼转化效率不随时间降低，输出拉曼激光光束出现微弱抖动和变形。