CN101436745B - 一种可见波段的钠原子化学激光器 - Google Patents

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本发明涉及可见波段的钠原子化学激光输出装置，具体地说是一种可见波段的钠原子化学激光器，N2O与通过高温管式炉炉膛的主气流于气体出口处相交反应，形成SiO(b3∏)合成区；Na蒸汽与经过合成区的主气流混合形成近共振传能区，此区域产生激发态的钠原子-Na(4d2D)；在近共振传能区外侧设置有光学谐振腔，光学谐振腔光轴方向与近共振传能区出来的主气流方向垂直；在光学谐振腔的输出光路上设置有光谱仪，光谱仪通过线路与计算机测试控制系统信号连接。该激光器装置结构紧凑，易于实现和控制。

Description

一种可见波段的钠原子化学激光器
技术领域
本发明涉及可见波段的钠原子化学激光输出装置，具体地说是一种可见波段的钠原子化学激光器。
背景技术
上世纪80年代，研究人员就发现亚稳态的SiO(b3П)是一种很好的储能粒子，其能量接近3.5eV，寿命在1Oms量级。实验证实SiO(b3П)可以与Tl(535nm)、Ga(417nm)、Na(569、616nm)等原子发生高效的近共振传能并将这些原子从基态激发到激发态。研究表明Na原子与SiO(b3П)的近共振传能是最容易实现且最有效的。由此形成了钠原子化学激光的概念，其最佳发光波长在569nm，属于可见波段。目前存在的化学激光都处在红外波段，因此钠原子化学激光延伸了化学激光的波长范围，也表现出了一些独特的应用前景。
SiO(b3П)是钠原子化学激光的能源。如何简单、高效地合成SiO(b3П)是目前研究的一个关键问题。通过气相单质硅原子和N2O反应生成SiO(b3П)是目前最常用的方法。在以往的大部分研究中，气相Si原子都是通过蒸发单质Si产生的。这种方法的主要缺点是需要的温度过高(超过1600℃)，而且产生的Si原子的浓度低。少数几个研究SiO光谱的实验中，使用了不同的裂解SiH4的方法来获取气相Si原子，其中包括直流放电解离和激波解离，这两个方法共同的问题是难于控制、产物复杂、光谱测试干扰大。
为了避免上述方法的局限，美国人J.M.Stephens通过热解SiH4产生Si原子，建立了一种易于控制和放大的SiO(b3П)合成实验装置。但是J.M.Stephens的装置对材料要求严格，成本较高且难以实现。
发明内容
本发明在J.M.Stephens技术路线的基础上，建立了一个结构完全不同的装置，成功合成了高浓度的SiO(b3П)粒子。同时首次利用由热解硅烷得到的SiO(b3П)粒子与Na蒸汽进行了混合传能，得到了激发态钠原子。安装光学谐振腔后，可以获得可见波段(569nm)的钠原子化学激光。
本发明的主要特点是用化学的方法获得了激发态Na原子并且可以实现可见波段的钠原子化学激光。
Na原子激光器的工作原理如下：
Si(3P)+N2O→SiO(b3П，a3∑，A1П)+N2       (1)
SiO(b3П)+Na(3s2S)→SiO(X1∑+)+Na(4d2D)    (2)
Na(4d2D)→Na(3p2P)+hγ(569nm)              (3)
Na(4d2D)+hv(569nm)→Na(3p2P)+2hv(569nm)    (4)
反应(1)产生了亚稳态的SiO(a3∑+，b3П)，该反应的量子效率很高且b3П占绝对多数。SiO(b3П)与Na原子的基态3s2S发生近共振传能将基态钠原子泵浦到4d2D能级(式2)。随后，Na(4d2D)发生自发辐射和受激辐射，发出569nm的激光(式3、4)。Na原子激光器的发光波长位于可见区域，在很多领域有着重要的应用潜力。
本发明的目的在于提供一种可见波段的钠原子化学激光器，通过该装置可以得到亚稳态储能粒子SiO(b3П)和激发态粒子Na(4d2D)，通过谐振腔振荡提取后，获得569nm激光。本发明最大的特点利用硅烷热解的方法获得了亚稳态储能粒子，并通过该储能粒子与Na原子近共振传能获得了激发态Na，产生了可见波段的钠原子化学激光。该激光器装置结构紧凑，易于实现和控制。
为实现本发明的目的，本发明采用的技术路线为：
用高温热解硅烷的方法获得硅原子；通过硅原子与N2O反应获得亚稳态储能粒子-SiO(b3П)；然后SiO(b3П)与气相Na原子发生近共振传能，得到激发态粒子-Na(4d2D)，并在Na 4d2D和3p2P之间形成粒子数翻转，通过光学谐振腔振荡和提取，发出可见波段(569nm)的钠原子化学激光。
基于上述技术路线的激光器装置主要包括供气系统、Na蒸汽供给系统、激发态粒子生成系统、激光谐振腔和测试控制系统五部分。Na蒸汽通过Na单质蒸发获得；激光谐振腔采用稳定腔。
一种可见波段的钠原子化学激光器，包括硅烷储气瓶、氦气储气瓶、一氧化二氮储气瓶、气体混合器、高温管式炉、透镜、Na蒸汽发生器、光学谐振腔、光谱仪和计算机采集控制系统，
高温管式炉为管式结构，其由外向内依次为整体的不锈钢密封外壳、石棉保温层和SiC管高温炉膛，在炉膛的中部轴向设置有热电偶，在炉膛的SiC管外壁上缠绕有高温电热丝；
硅烷储气瓶和氦气储气瓶通过管路经气体混合器与高温管式炉的气体入口相连；在高温管式炉的气体出口外侧设置N2O/He喷射加入装置，一氧化二氮储气瓶和氦气储气瓶通过管路经气体混合器与高温管式炉的N2O/He喷射加入装置相连；在高温管式炉气体出口处、于N2O/He喷射加入装置的外侧设置有Na蒸汽/He喷射加入装置，Na蒸汽发生器的Na蒸汽通过保温处理的气体管路与Na蒸汽/He喷射加入装置相连；
N2O与通过高温管式炉炉膛的主气流于气体出口处相交反应，形成SiO(b3П)合成区；Na蒸汽与经过合成区的主气流混合形成近共振传能区，此区域产生激发态的钠原子-Na(4d2D)；在近共振传能区外侧设置有光学谐振腔，光学谐振腔光轴方向与近共振传能区出来的主气流方向垂直；在光学谐振腔的输出光路上设置有光谱仪，光谱仪通过线路与计算机测试控制系统信号连接。
在光学谐振腔的输出光路与光谱仪之间设置有衰减片；所述光学谐振腔光轴方向的两端分别设置有窗口，并于光路输出方向的窗口内侧设置有输出耦合镜、于光路输出反方向的相对应端窗口内侧设置有全反镜；
分别在硅烷储气瓶、氦气储气瓶和一氧化二氮储气瓶的出口处设置有流量控制器；流量控制器通过信号线路与计算机测试控制系统连接；分别在硅烷储气瓶和氦气储气瓶混合气、一氧化二氮储气瓶和氦气储气瓶混合气的气体流通管路上设置有阀门；
Na蒸汽发生器的内腔底部设置有电热丝，于内腔中装填有金属钠，于内腔的中部设置有热电偶，在内腔的两侧分别设置有载气入口和Na蒸汽出口；载气入口通过管路与氦气储气瓶相连，电热丝及热电偶与电源控制器线路连接。
高温管式炉的热电偶和SiC管外壁上缠绕的高温电热丝分别与电源控制器线路连接。
本发明的有益效果是：
1、本发明提供了输出波长为569nm的钠原子化学激光器。(此输出波长属于可见波段。)
2、本发明用热解硅烷产物与N2O反应的方法得到亚稳态储能粒子SiO(b3П)。该方法易于实现，而且可以得到较高浓度的SiO(b3П)。并且可以利用该合成SiO(b3П)的装置进行SiO(b3П)与其它粒子的传能研究。
3.通过该装置可以得到较高浓度的Na(4d2D)，可以开展Na(4d2D)的光谱研究。
4、钠原子化学激光的主要能量来自于化学反应，具有化学激光的特点。它易于放大，同时由于目前存在的化学激光体系都处于红外波段，而该钠原子化学激光处于可见波段，相对于其它化学激光，波长更短，可以实现更高的激光亮度，因此在强激光应用方面有很大的潜力。
5：该激光装置输出569nm的激光，其在激光指示上有一定的应用潜力。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；其中，I供气系统，II Na蒸汽供给系统，III激发态粒子生成系统，IV激光谐振腔，V测试控制系统，1：氦气储气瓶，2：硅烷储气瓶，3：一氧化二氮储气瓶，4：流量控制器，5：气体混合器，6：阀门，7：气体管路，8：信号线路，9：保温处理的气体管路，10：热电偶，11：电源控制器，12：Na蒸汽发生器，13：电热丝，14：金属钠，15：高温管式炉，16：N2O/He喷射加入装置，17：Na蒸汽/He喷射加入装置，18：输出耦合镜19：窗口，20：全反镜，21：衰减片，22：光谱仪，23：计算机采集控制系统。
具体实施方式
本发明的目的在于提供一种实现569nm输出的可见波段钠原子化学激光的技术路线和基于此技术路线的激光器装置。通过该装置可以得到亚稳态储能粒子SiO(b3П)和激发态粒子Na(4d2D)。通过谐振腔振荡提取后，获得569nm激光。
本发明的技术路线是：
用高温热解硅烷的方法获得硅原子；通过硅原子与N2O反应获得亚稳态储能粒子-SiO(b3П)；然后SiO(b3П)与气相Na原子发生近共振传能，得到激发态粒子-SiO(b3П)，并在Na 4d2D和3p2P之间形成粒子数翻转，通过光学谐振腔振荡和提取，发出可见波段569nm的激光。
基于上述技术路线的激光器装置主要包括供气系统、Na蒸汽供给系统、激发态粒子生成系统、激光谐振腔和测试控制系统五部分。
一种可见波段的钠原子化学激光器，包括硅烷储气瓶、氦气储气瓶、一氧化二氮储气瓶、气体混合器、高温管式炉、透镜、Na蒸汽发生器、光学谐振腔、光谱仪和计算机采集控制系统，
SiH4储气瓶2和氦气储气瓶1通过管路经气体混合器5与高温管式炉15的气体入口相连。在高温管式炉15的气体出口外侧依次设置有N2O/He喷射加入装置16和Na蒸汽/He喷射加入装置17，其中N2O/He喷射加入装置16通过管路8经气体混合器5与N2O储气瓶3和氦气储气瓶1相连；Na蒸汽/He喷射加入装置17通过保温处理的管道9与钠蒸汽发生器12相连。
N2O与高温管式炉15气体出口的主气流相交反应，形成SiO(b3П)合成区。Na蒸汽与主气流混合形成近共振传能区，此区域产生激发态的钠原子-Na(4d2D)。在近共振传能区位置连有光学谐振腔IV，光学谐振腔IV光轴方向与管式炉出来的主气流方向垂直。在光学谐振腔输出光路上设置有衰减片21和光谱仪22。衰减片21、输出耦合镜18、全反镜20、窗口19及光谱仪22光路连接；流量控制器4与计算机23、光谱仪22与计算机23线路连接。
供气系统主要包括储气瓶1-3、流量控制器4和气体混合器5。所用气体主要有氦气、硅烷、一氧化二氮。
Na蒸汽供给系统主要包括钠蒸汽发生器12、热电偶10和电源控制器11。其中钠蒸汽发生器12是一个带有电热丝13的密闭腔体，外层包有保温材料。腔内放有金属钠固体，通过加热蒸发获得钠蒸汽。热电偶伸入到腔体内部，测量内部气体温度并反馈给电源控制器，电源控制器通过调节供电电流可以控制内部温度。发生器有一个气体进口和一个气体出口，由气体进口通入的氦气携带钠蒸汽通过气体出口流入到激光器内。输运钠蒸汽的管道9全部经过保温处理。
激发态粒子生成系统包括两部分：SiO(b3П)合成系统和Na(4d2D)生成系统。
其中SiO(b3П)合成系统主要包括高温管式炉15、热电偶10和电源控制器11。Na(4d2D)生成系统主要包括N2O喷射加入装置16和Na蒸汽喷射加入装置17。N2O/He喷射加入装置16和Na蒸汽/He喷射加入装置17均为圆周小孔喷射结构。
高温管式炉15为管式结构，其由外向内依次为整体的不锈钢密封外壳、石棉保温层和高温炉膛，在炉膛的中部轴向设置有热电偶10，在炉膛的外壁上缠绕有高温电热丝；通过热电偶和电源控制器可以准确控制管式炉的温度。高温管式炉的温度加热到1000℃以上，炉膛和热电偶保护外壳采用了特殊材料。
激光谐振腔是一个稳定腔，包括输出耦合镜18和全反镜20和两个窗口19。窗口19位于耦合镜18和全反镜20外侧。
测试控制系统包括衰减片21、光谱仪22和计算机采集控制系统23。
在气体混合器5与高温管式炉15之间的管路及氦气瓶1与钠蒸汽发生器12之间的管路上分别设置有阀6。
在氦气储气瓶1、SiH4储气瓶2、N2O储气瓶3气体出口管路上分别设置有流量控制器4。
利用本发明可以实现569nm的钠原子化学激光输出。同时本发明可以提供SiO(b3П)和Na(4d2D)，供其它实验研究。
激光器的具体操作步骤如下：
1：系统安装。包括管路连接、密封；测试系统安装调试。
2：实验前状态检查。包括真空试漏和各测试设备检查。
3：将干净的金属钠固体加入到钠蒸汽发生器中。
4：开启真空泵、各测试控制设备电源。
5：系统抽真空。
6：光学谐振腔和测试光路调节。
7：开启管式炉和Na蒸汽发生器电源，开始加热。
8：设置各流量控制器参数。
9：开各气瓶阀、减压阀。
10：待管式炉加热到1000℃，钠蒸汽发生器温度在500℃左右时，依次开启各路氦气、SiH4、N2O的流量控制器，开始进气。
11：开始测试，确认激光输出。
12：根据需要，调节各流量和温度参数，可以得到不同功率的激光输出。
13：实验结束后，按下列顺序关闭系统：
①：关闭各气瓶阀；
②：关闭各气瓶减压阀。
③：关闭电炉电源。
⑤：清洗流量控制器。
⑥：关闭流量控制器。
⑦：关闭真空系统。
⑧：关闭测试系统和计算机系统。
14：安全检查，实验结束。

Claims (6)

1.一种可见波段的钠原子化学激光器，其特征在于：包括硅烷储气瓶(2)、氦气储气瓶(1)、一氧化二氮储气瓶(3)、气体混合器(5)、高温管式炉(15)、透镜(13)、Na蒸汽发生器(12)、光学谐振腔、光谱仪(22)和计算机采集控制系统(23)；
高温管式炉(15)为管式结构，其由外向内依次为整体的不锈钢密封外壳、石棉保温层和SiC管高温炉膛，在炉膛的中部轴向设置有热电偶(10)，在炉膛的SiC管外壁上缠绕有高温电热丝；
硅烷储气瓶(2)和氦气储气瓶(1)通过管路经气体混合器(5)与高温管式炉(15)的气体入口相连；在高温管式炉(15)的气体出口外侧设置N2O/He喷射加入装置(16)，一氧化二氮储气瓶(3)和氦气储气瓶(1)通过管路经气体混合器(5)与高温管式炉(15)的N2O/He喷射加入装置(16)相连；在高温管式炉(15)气体出口处、于N2O/He喷射加入装置(16)的外侧设置有Na蒸汽/He喷射加入装置(17)，Na蒸汽发生器(12)的Na蒸汽通过保温处理的气体管路(9)与Na蒸汽/He喷射加入装置(17)相连；
N2O与通过高温管式炉(15)炉膛的主气流于气体出口处相交反应，形成SiO(b3∏)合成区；Na蒸汽与经过合成区的主气流混合形成近共振传能区，此区域产生激发态的钠原子-Na(4d2D)；在近共振传能区外侧设置有光学谐振腔，光学谐振腔光轴方向与近共振传能区出来的主气流方向垂直；在光学谐振腔的输出光路上设置有光谱仪(22)，光谱仪(22)通过线路与计算机采集控制系统(23)信号连接。
2.按照权利要求1所述的钠原子化学激光器，其特征在于：在光学谐振腔的输出光路与光谱仪(22)之间设置有衰减片(21)。
3.按照权利要求1所述的钠原子化学激光器，其特征在于：所述光学谐振腔光轴方向的两端分别设置有窗口(19)，并于光路输出方向的窗口(19)内侧设置有输出耦合镜(18)、于光路输出反方向的相对应端窗口(19)内侧设置有全反镜(20)。
4.按照权利要求1所述的钠原子化学激光器，其特征在于：分别在硅烷储气瓶(2)、氦气储气瓶(1)和一氧化二氮储气瓶(3)的出口处设置有流量控制器(4)；
流量控制器(4)通过信号线路(8)与计算机测试控制系统(23)连接；
分别在硅烷储气瓶(2)和氦气储气瓶(1)混合气、一氧化二氮储气瓶(3)和氦气储气瓶(1)混合气的气体流通管路(7)上设置有阀门(6)。
5.按照权利要求1所述的钠原子化学激光器，其特征在于：Na蒸汽发生器(12)的内腔底部设置有电热丝(13)，于内腔中装填有金属钠(14)，于内腔的中部设置有热电偶(10)，在内腔的两侧分别设置有载气入口和Na蒸汽出口；载气入口通过管路与氦气储气瓶(1)相连，电热丝(13)及热电偶(10)与电源控制器(11)线路连接。
6.按照权利要求1所述的钠原子化学激光器，其特征在于：高温管式炉(15)的热电偶(10)和SiC管外壁上缠绕的高温电热丝分别与电源控制器(11)线路连接。
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