阅读说明：本技术 风扇式气体循环高重频拉曼池 (Fan type gas circulation high repetition frequency Raman cell ) 是由 郭敬为 李仲慧 蔡向龙 刘金波 于 2018-06-13 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种能够降低高重频泵浦光在气体介质传播过程中热透镜效应的新型拉曼池,在该设计中最外一层的拉曼池壁为不锈钢材质,拉曼池内放有立体填充物。拉曼池外壁与内置填充物之间的空隙可充高压气体,并且宽窄不一致,将风扇组放置于其中一条窄空隙中,在剩余窄空隙中选择一条作为泵浦光的通光通道。使用高重频泵浦光泵浦气体介质时,泵浦光附近热量逐渐积累,产生热透镜效应,影响输出光的光束质量,当电动风扇运行后,空隙内的高压气体介质按照固定方向流动,带走泵浦光附近的热量,降低拉曼池内热透镜效应,从而提高拉曼光的转换效率。本发明是一种新式拉曼池,通过降低热效应的方法提高拉曼光转化效率及光束质量,有明朗的应用前景。(The invention discloses a novel Raman pool capable of reducing the thermal lens effect of high repetition frequency pump light in the process of gas medium transmission. Gaps between the outer wall of the Raman cell and the built-in filler can be filled with high-pressure gas, the width of the gaps is inconsistent, the fan set is placed in one of the narrow gaps, and one of the remaining narrow gaps is selected as a light passing channel of pump light. When the high repetition frequency pump light is used for pumping the gas medium, heat near the pump light is gradually accumulated to generate a thermal lens effect, the quality of light beams output by the light is influenced, after the electric fan operates, the high-pressure gas medium in the gap flows in a fixed direction to take away the heat near the pump light, the thermal lens effect in the Raman cell is reduced, and therefore the conversion efficiency of the Raman light is improved. The invention is a novel Raman pool, improves the Raman light conversion efficiency and the light beam quality by reducing the thermal effect, and has bright application prospect.)

风扇式气体循环高重频拉曼池

技术领域

本发明属于激光技术领域，是一种风扇式气体循环拉曼池，在拉曼池内部的风扇会使高压气体按固定流向快速流动，降低拉曼池内的热效应，是一种提高拉曼光转换效率和光束质量的方法。本发明可以应用在基础科学研究，激光变频，拓宽光谱范围，气体浓度检测等一些领域。

技术背景

在受激拉曼(stimulated Raman scattering,SRS)过程中，每产生一个斯托克斯光子就会产生一个振动激发态粒子，这些激发态粒子通过碰撞弛豫回基态时必将放出大量的热；对于气体拉曼介质，这些放出的热量就会使它们沿光束半径从光轴中心向外形成一个负的温度梯度和正的密度与折射率梯度；这时气体介质就像一个负透镜，会引起入射光束的发散。当SRS中热效应比较严重时，由于热的气体会因比重较小而上升，导致介质上方的折射率小于下方折射率，这时整个光束会在发散的同时沿介质折射率大的方向(即下方)偏折，通常光斑会呈现为向上弯曲的新月形，这种现象通常称为热散焦效应或热畸变效应。

热散焦效应常常会使SRS中各种光束(包括泵浦光和斯托克斯光)产生发散，甚至产生畸变；从而降低光束功率密度和拉曼增益，使拉曼转化效率下降，并导致斯托克斯光束质量变差，因此消除热散焦效应对于拉曼转换而言就非常重要。在这方面许多研究人员进行过多方面的尝试，例如，横向移动介质，横向机械移动样品池和移动光束等。此外，Barry等人利用加热方法来加快对流，以降低SRS中的热效应，提高了拉曼转化效率和改善了斯托可斯的光束质量。

发明内容

本发明的初衷即是为了降低热透镜效应。通过气体拉曼池内电动风扇组的作用，使池内积累的热量随内部气体循环消散，即使用高重频激光来泵浦也不会产生过为严重的热透镜效应，从而保证输出光的光束质量和拉曼光的转换效率。

受激拉曼属于非线性效应，受激拉曼散射可以实现激光变频，其优点在于其装置设计简单，调节便捷；能实现受激拉曼的介质多样，目前常用的拉曼介质有晶体(如：金刚石，SrWO₄)、液体(如：H₂O，CS₂，C₆H₆)、气体(如：H₂，CH₄)；不同的拉曼介质对泵浦激光波长移动的大小不相同，有些固体可以产生几十个波数的移动，而气体拉曼介质通常能产生上千个波数的频移。

本发明中的风扇式气体循环系统，是指在拉曼池内部放置填充物，使填充物与拉曼池壁之间形成规则的宽窄不均环形气流通道，在一条或多条窄通道内部放入风扇组，至少留出一条窄通道作为通光路径。当风扇组工作时会使气体介质在拉曼池内循环来降低泵浦光经过介质时产生的热透镜效应，当用高重频泵浦光泵浦气体介质时，仍可以保证输出光的光束质量和拉曼光的转换效率。

为了实现上述目的，本发明的一个方面，提供风扇式气体循环高重频拉曼池,所述拉曼池为一个两端分别设有激光入射窗和激光出射的窗口的密闭腔室，池内设有填充物，所述拉曼池的池壁与填充物之间留有空隙，所述空隙形成固定的气流通道；通道内放置风扇组。风扇运行后，在拉曼池内形成固定流向的稳定气流，减弱泵浦光通过时导致的热透镜效应。

进一步地，拉曼池壁的池壁为能够承受气体高压的不锈钢管。根据需要可设计成横截面形状是轴对称或中心对称的几何形状。例如：椭圆形、圆形、矩形等。

进一步地，填充物为能够在高压条件下无形变的固体。优选横截面是轴对称或中心对称的几何形状。更优选为，椭圆形、三角形、长方形等的柱体，目的使内置填充物与拉曼池壁之间形成宽窄不一的气流通道，内置物长度稍短于拉曼池，材料可以是不锈钢、聚四氟等。

进一步地，所述风扇组为任意一种小型扇叶式电动风扇的竖直排列组合，长度略短于拉曼池。

进一步地，所述激光入射窗和激光出射的窗的窗口片为白片或镀有介质膜的镜片。窗口片直径大于入射激光光束直径，厚度根据拉曼池内气压决定，介质膜的选择根据实验要求及入射波长选择。例如：入射光为1064nm，两个窗口片厚度为15mm,介质膜T(透过率)＝99％@1064nm。

进一步地，所述拉曼池设有用于测试池内气体压力的气体压力表。可根据需要选择量程，拉曼池内气体压力不能超过气压表量程的三分之二。

进一步地，所述拉曼池的池壁设有通气口。优选为为安装有阀门的排气口。

本发明另一方面，提供气体循环高重频拉曼池系统，包括高重频泵浦光源和与权利要求1-7任意一项所述的拉曼池。

本发明再一方面，提供气体循环高重频拉曼池系统的运行方法，包括以下步骤：拉曼池内充入充足的气体介质，调节到需要气压，然后运行风扇组，使池内部气体循环稳定后，打开高重频泵浦光，使其沿着预定的通光路径完全通过拉曼池，在出光口处用烧斑纸观察输出光的光斑形状并与泵浦光斑进行对比及，若拉曼池前后光斑无明显形变则热效应控制得当，否则进一步调节风扇转速，使前后光斑形状接近一致。

本发明还提供所述的风扇式气体循环高重频拉曼池以及权利要求8所述气体循环高重频拉曼池系统在在基础科学研究，激光变频，拓宽光谱范围，气体浓度检测等领域的应用。

本发明风扇式气体循环高重频拉曼池能够降低高重频泵浦光在气体介质传播过程中热透镜效应，在该设计中最外一层的拉曼池壁为不锈钢材质，拉曼池内放有立体填充物，例如横截面为规则的椭圆形、三角形的立方体，材质要求为能够承受高压不变形的固体，例如不锈钢，聚四氟等。拉曼池外壁与内置填充物之间的空隙可充高压气体，并且宽窄不一致，将风扇组放置于其中一条窄空隙中，在剩余窄空隙中选择一条作为泵浦光的通光通道。使用高重频泵浦光泵浦气体介质时，泵浦光附近热量逐渐积累，产生热透镜效应，影响输出光的光束质量，当电动风扇运行后，空隙内的高压气体介质按照固定方向流动，带走泵浦光附近的热量，降低拉曼池内热透镜效应，从而提高拉曼光的转换效率。本发明是一种新式拉曼池，通过降低热效应的方法提高拉曼光转化效率及光束质量，有明朗的应用前景。

本发明优点是：(1)大大减少了热效应的冷却时间你能够承受高重频激光的泵浦，泵浦源的选择范围更广泛；(2)电动风扇组安装在拉曼池内部，节约空间；3)气体相比于固体不容易损伤，使用气体作为拉曼介质可以承受更高的泵浦能量。

附图说明

图1为拉曼池横截面视图

图2为拉曼池外部侧视图

图中的器件名称如下：

1 拉曼池外壁

2 拉曼池内填充物

3 电动风扇组

4 窗口片

5 气体压力表

6 通气口

具体实施方式

如上所述，鉴于高重频泵浦光泵浦高压气体产生的热效应问题。如图1，本发明提供了一种风扇式气体循环高重频拉曼池。

如图2所示，拉曼池是一个两端分别带有激光入射窗和激光出射的窗口的密闭腔室，内部可充高压气体。拉曼池壁1和池内填充物2，之间的空隙形成固定气流通道，例如：拉曼池壁1为圆柱体，材质为能够承受高压的不锈钢，池内填充物2为椭圆形柱体，由图1可知，拉曼池内气流通道宽窄不一致，在其中一条窄通道内放置电动风扇组3，与之相对的另一条窄气流通道作为泵浦光的通过路径。通过通气口6向拉曼池中充入足够气压的气体介质，拉曼池内气压大小可由气压表5显示，当电动风扇组3运行时，池内气体沿固定方向流动，减弱泵浦光通过介质时产生的热透镜效应。

池壁1横截面还可以为规则椭圆形、圆形、矩形等，；在高压条件下无形变，填充物2为横截面是规则椭圆、等边三角形或其他形状的柱体，目的使内置填充物与拉曼池壁之间形成宽窄不一的固定气流通道，填充物长度稍短于拉曼池，材料可以是不锈钢、聚四氟等；一种小型扇叶式电动风扇组3，功率、尺寸根据具体实验选择；白片或镀有介质膜的窗口片4，适当量程的气体压力表5；装有阀门的通气口6。

调整填充物或拉曼池壁的位置，使二者中轴线重合，形成的各条窄通道的规格尺寸相同，形成的各条宽通道的规格尺寸相同，填充物与拉曼池壁之间的最大间距长度至少为最小间距长度的二倍。

实施例1

首先采用横截面为圆形的拉曼池壁和横截面为椭圆形的填充物。将横截面为椭圆形的立体填充物置于拉曼池内，位置与拉曼池同轴，适当调整填充物或拉曼池，使形成的各条窄通道的规格尺寸相同，形成的各条宽通道的规格尺寸相同，填充物与拉曼池壁之间的最大间距长度为最小间距长度的二倍。其中一条窄通道安装一排电动风扇，另一条窄通道用做通光通道。

拉曼池内充入充足的气体介质(首次充入气体应经过多次置换，保证拉曼池内气体纯度)，调节通气阀门调节到需要气压，然后运行拉曼池内风扇组，使其内部气体循环稳定后，打开高重频泵浦光，使其沿着预定的通光路径完全通过拉曼池。在出光口处用烧斑纸观察输出光的光斑形状并与泵浦光斑进行对比及，若拉曼池前后光斑无明显形变则热效应控制得当，否则进一步调节风扇转速，使前后光斑形状接近一致。

实施例2

首先采用横截面为圆形的拉曼池壁和横截面为等边三角形的填充物。将横截面为等边三角形的立体填充物置于拉曼池内，位置与拉曼池同轴，适当调整填充物或拉曼池，使形成的各条窄通道的规格尺寸相同，形成的各条宽通道的规格尺寸相同，填充物与拉曼池壁之间的最大间距长度为最小间距长度的三倍。其中一条窄通道安装一排电动风扇组，在剩余窄通道中选择一条用做通光通道。

拉曼池内充入充足的气体介质(首次充入气体应经过多次置换，保证拉曼池内气体纯度)，调节通气阀门调节到需要气压，然后运行拉曼池内风扇组，使其内部气体循环稳定后，打开高重频泵浦光，使其沿着预定的通光路径完全通过拉曼池。在出光口处用烧斑纸观察输出光的光斑形状并与泵浦光斑进行对比及，若拉曼池前后光斑无明显形变则热效应控制得当，否则进一步调节风扇转速，使前后光斑形状接近一致。