[发明专利]一种用于拉曼光谱分析的765nm-780nm脉冲激光器

说明书

技术领域

本方案设计的765nm-780nm脉冲激光器，属光电子领域。

技术背景

拉曼光谱是一种散射光谱，它是1928年印度物理学家C V Raman发现的。拉曼光谱作为一种鉴定物质结构的分析测试手段而被广泛应用，尤其是60年代以后，激光光源的引入、微弱信号检测技术的提高和计算机的应用，使拉曼光谱分析在许多应用领域取得很大的发展。目前，拉曼光谱已广泛应用于材料、化工、石油、高分子、生物、环保、地质等领域。就分析测试而言，拉曼光谱和红外光谱相配合可以更加全面地研究分子的运动状态，提供更多的分子结构分析方面的信息。

目前的拉曼光谱仪光源的可见光激光器应用最多的是氩离子激光器，可产生10种波长的激光，其中最强的是488纳米(蓝光)和514纳米(绿光)激光器；另外，532纳米固体二极管泵浦激光器、632.8纳米(红光)、780纳米等可见光激光器；以及785纳米二极管、830纳米近红外激光器；掺钕的钇铝石榴石(YAG)激光器被用作傅里叶变换拉曼光谱的光源，其激光波长为1064纳米(红外)；染料激光器是目前较成熟、应用较为普遍的可调谐激光器，是共振拉曼研究时的理想光源。研究生物蛋白质、细胞等，则需要波长较长的近红外光，避免了荧光对拉曼光谱的干扰。但对于一些深色、黑色粉末样品，由于近红外的热效应，而使热背景干扰拉曼光谱，这时选择可见光区的激光比较合理。对于研究化学发光和荧光光谱，则选择紫外激光器。所以在研究颜料时，需要选配514纳米和785(或830纳米)纳米两种波长的激光器，对于蓝、绿色颜料则采用514纳米的激光器进行分析，对于红、黄、白色颜料采用785纳米的激光器进行分析。

国内现有的拉曼光谱仪大多都是研究级的，体积庞大，价格昂贵，还需要专业技术人员操作，在检测领域中很难到达普及，特别是780nm激光器目前比较少，远远满足不了名用与军用的要求。目前比较多可调谐光源是钛宝石激光器或者染料激光器，而钛宝石激光器需要用较大功率的532nm泵浦，整台设备体质非常庞大，还需要防震平台，而染料激光器因为需要有新鲜的染料溶液不断通过激活区，使用非常不方便。为了克服这些缺点，本设计研制了一台体积小、质量轻，稳定可靠，操作简单的用激光玻璃泵浦LN倍频的激光器，它和传统的钛宝石可调谐激光器或者染料激光器相比，这种激光器稳定性高，重量轻，有利于拉曼光谱技术便携式的发展。

发明内容

本发明目的是解决目前拉曼光谱分析中765nm-780nm光源较少，且价格高，体积庞大等缺点。为了实现重量轻、激光稳定性高，易实现便携式等特点，本设计采用以下方案实现的：

1.传统的钛宝石可调谐激光器，用蓝绿激光器作为泵浦源，整套系统分有两个部分，体积庞大，价格昂贵不少于50万人民币。而本发明采用激光玻璃作为激光增益介质，提高激光器稳定性，价格便宜，整套系统价格只要传统钛宝石激光器的五分之一。主要用于功率低，便携式的拉曼光谱分析仪中。激光玻璃主要有如：Er/Yb共掺磷酸盐玻璃、N21型掺钕磷酸盐激光玻璃、N31型掺钕磷酸盐激光玻璃，其输出光谱在1520nm-1560nm。在Er⁺³在Er₂O₃浓度为2％～5％(或者Er+3离子浓度在2×10¹⁹cm^-3～5×10¹⁹cm-^-3之间)，Er⁺³离子浓度只有足够低才能产生合理的激发阈值。Er⁺³为三能级系统，在达到阈值之前必须要大约60％的离子得到激发，另一方面，Er⁺³的离子浓度必须足够高，以便从Yb⁺³到Er⁺³的能量转移效率比较高。所以，Er玻璃中Yb⁺³离子浓度是1.5×10²¹cm^-3～5×10²¹cm^-3，Er⁺³离子浓度为10¹⁹cm^-3的量级。

2.采用脉冲调制电源，980nm激光二极管，是因为在Er和Yb共掺磷酸盐玻璃中，抽运能量首先被Yb⁺³吸收，再转移到Er⁺³。Yb⁺³吸收900nm～1000nm的抽运光，主要的吸收波长落在915nm～980nm，吸收峰值为976nm。LD脉冲抽运有利于提高铒玻璃的重频和抽运效率。