具有稜鏡分束器的雙波長雙脈衝雷射器的製作方法

2023-04-24 03:10:31

專利名稱：具有稜鏡分束器的雙波長雙脈衝雷射器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及雷射應用技術，也涉及大氣汙染檢測技術。
在用於檢測大氣汙染的差分吸收雷射雷達中，雙波長雷射器是必不可少的關鍵設備。由於其工作機理是通過測量兩個相繼輸出不同波長的雷射脈衝回波信號來計算出大氣汙染物(如SO2，NO2等)的濃度，因此，對從雷射器輸出的雷射脈衝信號有較高的要求即要求從一個雷射脈衝切換到另一個雷射脈衝的時間間隔應控制在很短時間內(例如數微秒到十毫秒內)，並可以在某一範圍內作出調節。現有技術中的一般雷射器尚不能滿足以上要求。1995年1月，德國「光學和光電子學新聞」遙感專集中發表了一篇題為「車載全固化雷射雷達系統的三維大氣汙染監測」的論文(J.P.wolf，「3-Dminitoring of air pollution using mobile′All-Solid-State′lidar system」，optics photonicsNews，Jan，1995，P27)，文中公開了一種使用具有平行表面的稜鏡旋轉的方法來實現兩個波長切換的方法。分析該方案可以發現，所述雙波長的切換時間取決於氙燈和雷射晶體所能承受的最高工作頻率，假定雷射晶體所能承受的重複工作頻率很高，但氙燈的重複工作頻率一般只能達到20次/秒到50次/秒，則其雙波長的切換時間最短只能在50毫秒到20毫秒之間。另一方面，所述雙波長的切換需由電機帶動稜鏡旋轉來完成，雷射器中需增設一個較複雜的時序自動控制裝置，並且在諧波技術中需增設一臺能從一個脈衝波長的位相匹配角到另一個脈衝波長的位相匹配角之間的快速高精度角度自動調節裝置，其結構十分複雜。1992年美國國家航空和宇宙航行局的Langley研究中心在固體雷射器的國際會議上發表了一篇題為「NdYAG雙脈衝雷射系統的特性」(J.A.Williams-Byrd，et al，NASA Langley Reserch Center，Hampton，Virginia 23665；C，Banziger，et al.，STX Corporation，28 Reseoreh Drive，Hampton，VA 23666「Characterizationof a NdYAG Double Pulsed Laser Systen」，SPIE Vol，1627 solid state lasers III 1992，P74)的論文，文中描述了用於差分吸收雷射雷達的鈦寶石雙波長雷射器，該雷射器是用另一臺NdYAG雙脈衝雷射器泵浦的。文中公開了其NdYAG雷射器是用並聯脈衝成形網絡產生雙脈衝的技術。文中指出，其第二個脈衝的能量依賴於兩個脈衝之間的時間隔和雷射器能量的抽取效率，即兩個脈衝之間的能量相對大小較難控制，因而其使用場合受到限制。
本實用新型的目的在於，利用折射稜鏡的折射特性，使從雷射器輸出的雷射分為兩束，從而提供一種具有稜鏡分束器的雙波長雙脈衝雷射器。
本實用新型所述的雷射器，包括現有雷射技術中的耦合輸出鏡、Q開關晶體、可調諧雷射晶體及氙燈、色散稜鏡和全反射鏡，其特徵在於，在從可調諧雷射晶體發出的雷射光路上設置有一個由稜鏡構成的分束器，在分束後的兩條光路上分別設有色散稜鏡、Q開關晶體及全反射鏡。所述兩個Q開關晶體分別通過各自的延時器連接在雷射器中的脈衝觸發器上。所述的分束器能夠由兩塊三稜鏡組合構成，兩稜鏡的折射頂稜相對、並均與可調諧雷射晶體軸線成垂直方向前後放置在可調節高度及左右的二維工作檯上，可調諧雷射晶體軸線通過前一個分束稜鏡的折射頂稜，以及後一個分束稜鏡的折射頂稜或其鏡內近處，該軸線與兩個稜鏡的前通光面法線的夾角均等於布儒斯特角；所述的分束器也能夠由一塊放置在二維工作檯上的菱形稜鏡和兩塊色散稜鏡構成，其菱形稜鏡頂稜相背、底面連成一體，放置時使可調諧雷射晶體軸線通過其底角的稜線，該軸線與該鏡兩個前通光面法線的夾角均等於布儒斯特角，所述其中的兩塊色散稜鏡分別放置在菱形稜鏡後通光面的近處，其前通光面分別和菱形稜鏡的兩個後通光面相對，並相互平行。
本實用新型所述的雷射器，其從可調諧雷射晶體發出的雷射束在水平面上被分為左、右兩部分分別進入由稜鏡構成的分束器，從分束器輸出的光束分為兩路進入各自的色散稜鏡及全反射鏡，通過調整兩個全反射鏡的方位角，實現兩個不同波長的選取，由於該方位角的調整比較方便，因此當其用於差分吸收雷射雷達時，能使有關控制系統大為簡化。
本實用新型所述的雷射器，從分束器輸出的是兩條方向不同的光束，分別進入不同的光路。在兩條光路上分別設置有一個Q開關晶體，並通過各自的延時器與脈衝觸發器連接。控制延時器的延時時間，即能先後產生兩個雷射脈衝，從而滿足雙脈衝雙波長的需要，兩個脈衝的時間間距可在數微秒到10微秒內調節。
與前面所述的現有技術相比，本實用新型具有如下優點首先，由於所採用的稜鏡分束器在水平面內將雷射分為左右兩部分，該兩部分分別產生各自波長的一個脈衝，控制延時器的延時時間，能使所獲得的兩個脈衝之間的時間間隔最短控制在數微秒之內，因此其特別適合於差分吸收雷射雷達在大氣測汙方面的應用；其次，本雷射器如果在垂直於雷射晶體軸線的方向平行移動稜鏡分束器，就能有效調節兩個脈衝能量之間的相對大小，以滿足不同場合的使用需求；另一方面，本雷射器的雷射腔內沒有轉動元件和控制裝置，不僅使結構大為簡化，有利於光路的安排，而且免去了振動及噪聲，使運行更為平穩可靠。
下面通過附圖實施例及其附圖作進一步描述。


圖1是本實用新型所述雷射器實施例整體結構示意圖。
圖中，(1)為耦合輸出鏡，(2)為可調諧雷射晶體，(3)氙燈，(4)為稜鏡分束器，(5)為色散稜鏡1，(6)為開關晶體Q1，(7)為全反射鏡M1，(8)為色散稜鏡2，(9)開關晶體Q2。(10)為全反射鏡M2圖2是本實用新型所述開關晶體與氙燈連接情況的實施例電路框圖。
圖中，(3)為氙燈，(6)為開關晶體Q1，(9)為開關晶體Q2，(11)為電源，(12)為脈衝觸發器，(13)為延時器2，(14)為延時器1。
本電路的工作過程是，當氙燈(3)發光時，兩個晶體開關(6)、(9)上均已施加高壓，光路不通，不能產生雷射。當雷射晶體的上能級粒子數逐步積累到最大粒子數時，兩個延時器(13)、(14)分別使觸發脈衝延時適當時間，先後導通各路上的高壓閘流管，使Q1和Q2開關晶體上的高壓快速釋放，左右兩部分光路被先後導通，產生各自的雷射脈衝。兩個脈衝之間的時間間距由兩個延時器的延遲時間之差決定。
圖3是本實用新型所述由兩塊三稜鏡構成的分束器實施例結構示意圖。
圖4是本實用新型所述由一塊菱形稜鏡和兩塊色散稜鏡構成的分束器實施例結構示意圖。
參見圖3，三稜鏡(15)和三稜鏡(16)的折射頂稜相對，並均呈鉛垂方向放置在可調節高度及左右方位的二維平臺(17)上。0-0為可調諧雷射晶體軸線，該軸線通過在前的三稜鏡(15)的頂稜，其後的三稜鏡(16)頂稜在0-0軸線方向與前者相距3mm左右。為保證雷射不外洩漏，，三稜鏡(16)的折射頂稜的位置偏離0-0軸線延長線2mm左右，即從左朝右看時，兩個稜鏡略有重疊，則可調諧雷射晶體軸線通過三稜鏡(16)的鏡內相距頂稜不遠處，圖中所示箭頭表示雷射束行進路線。
參見圖4，(18)為菱形稜鏡，按圖示方式放置在可調節高度和左、右方位的二維平臺(17)上，該稜鏡頂稜相背、兩底連成一體，可調諧雷射晶體軸線0-0通過它的底角稜線，(19)為兩塊色散菱鏡，它們的前通光面與菱形菱鏡的兩個後通光面相對，並相互平行。圖中所示箭頭方向表示雷射束行進路線。
權利要求1.一種具有稜鏡分束器的雙波長雙脈衝雷射器，包括現有雷射技術中的耦合輸出鏡，Q開關晶體，可調諧雷射晶體，色散稜鏡和全反射鏡，其特徵在於，在從可調諧雷射晶體發出的雷射光路上設置有一個由稜鏡構成的分束器，在分束後的兩條光路上分別設有色散稜鏡、Q開關晶體及全反射鏡；所述兩個Q開關晶體分別通過各自的延時器連接在雷射器中的脈衝觸發器上。
2.如權利要求1所述的雷射器，其特徵在於，所述的分束器能夠由兩塊三稜鏡組合構成，兩稜鏡的折射頂稜相對、並均與可調諧雷射晶體軸線成垂直方向前後放置在可調節高度及左、右方位的二維平臺上，可調諧雷射晶體軸線通過前一個分束稜鏡的折射頂稜，以及後一個分束稜鏡的折射頂稜或其鏡內近處，該軸線與兩個稜鏡的前通光面法線的夾角均等於布儒斯特角。
3.如權利要求1所述的雷射器，其特徵在於，所述的分束器也能夠由一塊放置在二維平臺上的菱形稜鏡和兩塊色散稜鏡構成，該菱形稜鏡頂稜相背、底面連成一體，可調諧雷射晶體軸線通過其底角的稜線，該軸線與稜鏡兩個前通光面法線的夾角均等於布儒斯特角，所述其中的兩塊色散稜鏡分別放置在菱形稜鏡後通光面的近處，其前通光面分別和菱形稜鏡的兩個後通光面相對，並相互平行。
專利摘要本實用新型一種具有稜鏡分束器的雙波長雙脈衝雷射管涉及雷射應用技術。本雷射器在可調諧雷射光路上設置有一個由稜鏡構成的分束器,分束後的兩條光路上分別有色散稜鏡、Q開關晶體及全反射鏡;兩個Q開關晶體分別通過各自的延時器連接在雷射器中的脈衝觸發器上。分束器由折射界面入射角為布儒斯特角的兩塊三稜鏡或一塊菱形稜鏡和兩塊色散稜鏡組合構成,本雷射器雙波長切換時間能達到數微秒,其結構簡單,無振動及噪聲。特別適用於檢測大氣汙染程度的差分吸收雷射雷達中。
文檔編號H01S3/00GK2362210SQ9920618
公開日2000年2月2日 申請日期1999年3月26日 優先權日1999年3月26日
發明者謝建平 申請人:中國科學技術大學