CN103633535B - 一种碱金属蒸气室及其装配制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金属壳体的碱金属蒸气室，其包括：两个窗口片、两个盖板和主体部分；所述主体部分为圆柱体，其上下底面的中心位置处具有上下连通的通光孔，其圆柱侧面具有放置堵头的沉孔和阀门，所述放置堵头的沉孔和阀门与所述通光孔连通；所述盖板也为与所述主体部分直径相同的圆柱体，其上底面具有通光孔，下底面具有放置所述窗口片的沉孔，该通光孔与沉孔上下连通。本发明还公开了一种制作该碱金属蒸气室的方法，通过本发明提出的制作方法使得窗口片光洁度得到较大幅度的提高、抵抗碱金属渗透能力得到增强，可用于高功率半导体激光泵浦碱金属蒸气激光器。

Description

一种碱金属蒸气室及其装配制作方法

技术领域

本发明涉及激光器技术领域，尤其涉及一种碱金属蒸气室及其装配制作方法。

背景技术

半导体激光泵浦碱金属蒸气激光器(Diodepumpedalkalivaporlaser，DPAL)是一种新型的光泵浦气体激光器。由于该类激光器具有极高的量子效率，近年来得到了快速发展。DPAL的增益介质为碱金属蒸气，通常为钾(potassium，K)、铷(rubidium，Rb)或铯(cesium，Cs)蒸气。目前，在DPAL中广泛使用的碱金属蒸气室是基于玻璃吹制技术制作的。玻璃吹制的铷蒸气室又叫做铷泡，主要制作步骤如下：

1)使用模具和空气压缩机，将融化的石英玻璃吹制为如图1所示的形状；

2)对窗口外表面镀膜，增加窗口对泵浦光和激光的透过率；

3)利用铷泡充制设备完成铷的定量填充，并充入适量的缓冲气体；

4)基于玻璃封离技术，完成铷泡制作。

采用玻璃吹制技术制作DPAL中的铷蒸气室最主要的缺点在于铷原子对石英玻璃污染问题。随着时间的推移，铷原子向玻璃泡壁(铷蒸气室)渗透和扩散，该问题在铷光谱灯中已被广泛证实和研究。与铷光谱灯不同，铷蒸气激光器中，吸附在泡壁上的铷会对泵浦光进行吸收，使得泡壁吸收的热量更多，进而使得窗口损坏或失效。

另外，吹制的铷蒸气泡的另一个缺点在于吹制后端面窗口的光洁度较差。较差的光洁度会引起波前的扭曲和反射。当表面高度差达到波长量级时，窗口片的散射可能会引起振幅的变化，从而导致更大的几何光学问题，如局部聚焦效应。当高功率泵浦光注入铷泡内时，窗口极易局部损坏。

发明内容

有鉴于此，本发明公开了一种碱金属蒸气室及其制作方法。

本发明公开的碱金属蒸气室，其包括：两个窗口片、两个盖板和主体部分；

所述主体部分为圆柱体，其上下底面的中心位置处具有上下连通的通光孔，其圆柱侧面具有放置堵头的沉孔和阀门，所述放置堵头的沉孔和阀门与所述通光孔连通；

所述盖板也为与所述主体部分直径相同的圆柱体，其上底面具有通光孔，下底面具有放置所述窗口片的沉孔，该通光孔与沉孔上下连通；

其中，放置有窗口片的所述两个盖板分别固定在所述主体部分的上下底面形成所述碱金属蒸气室；且所述碱金属蒸气室的主体部分上的通光孔、盖板上的通光孔和放置窗口片的沉孔共心设置；所述堵头固定在所述放置堵头的沉孔中后，在所述主体部分内部形成用于放置碱金属的碱金属池。

本发明公开的上述碱金属蒸气室的装配及制作方法，其包括：

步骤1、加工备所述碱金属蒸气室的各个部件，并将所述放置有窗口片的盖板固定安装在所述主体部分的两底面，固定所述堵头和阀门；

步骤2、对所述碱金属蒸气室进行检漏，并在待漏率小于预定值时，将所述碱金属蒸气室放入惰性气体保护气氛手套箱中；

步骤3、在手套箱内，打开其中一个盖板，并将碱金属以固态形式放入碱金属池内，重新固定该盖板；

步骤4、将所述碱金属蒸气室移出手套箱，在高真空排气台上，通过所述阀门将所述碱金属蒸气室内的惰性气体抽出，然后通入高纯气体，并将其置于碱金属蒸气激光系统中。

本发明采用蓝宝石窗口片作为激光传输的窗口。蓝宝石窗口片为单晶的Al₂O₃，化学性质极其稳定，抗铷渗透作用强，将基本消除铷的渗透作用引起的窗口片污染问题；

此外，本发明中窗口片和碱金属室主体部分通过O圈密封，二者的加工具有独立性。因此，窗口片可通过光学研磨抛光等方法实现20/10的光洁度，与吹制玻璃的窗口光洁度相比具有明显优势，可用于高功率激光泵浦系统。

附图说明

图1是现有技术中采用玻璃吹制技术制作的铷蒸气室；

图2是本发明中碱金属蒸气室的结构示意图；

图3是本发明中碱金属蒸气室的剖视图；

图4是本发明中碱金属蒸气室的装配及制作方法流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

图2示出了本发明公开的碱金属蒸气室的结构图。图3示出了本发明公开的碱金属蒸气室的剖视图。如图2和3所示，该碱金属蒸气室包括：碱金属室主体部分1、两个窗口片盖板2、两个蓝宝石窗口片3、堵头4和与针阀连接的不锈钢管5。其中，所述碱金属室主体部分为圆柱体，其直径优选为35mm、长优选为15mm，其中心处具有通过机械加工而得的通光孔，其为锥形孔，其靠近所述碱金属室主体部分两底面的直径小于靠近其内部的直径，最大内直径优选为9mm，靠近所述两底面的最小外直径优选为7mm；所述锥形孔在长度方向具有中心对称性，其作用是避免泵浦光反射至碱金属池内，同时便于液态碱金属回流至碱金属池；所述碱金属主体部分上下底面、通光孔孔的四周均匀分布有多个M5螺纹孔，优选为距离中心处23mm的4个螺纹孔，其用于所述窗口片盖板2的固定；所述碱金属主体部分与盖板接触的底面上加工有与所述通光孔共心的凹槽，用于放置真空密封用O圈；所述碱金属主体部分圆柱面两侧的合适位置处预留有盲孔，用于放置温度传感器，其用于测量所述碱金属主体部分的温度；所述碱金属主体部分圆柱面的合适位置处预留有两个沉孔，用于放置所述堵头4和不锈钢管5，其中用于放置所述堵头4和不锈钢管5的沉孔与所述通光孔相连通，且用于放置所述堵头4的沉孔作为碱金属池，用于放置固态碱金属；所述不锈钢管5与针阀连接，针阀控制碱金属蒸气室与外界气体的导通，打开针阀，并将针阀与高真空排气台连接，可以对碱金属蒸气室内部进行充排气。

所述窗口片盖板2也为直径与所述碱金属主体部分相同的圆柱体结构，其一底面的中心位置处也具有圆柱形通光孔，其直径优选为7mm，且其与所述碱金属主体部分上的通光孔共心；所述窗口片盖板2的另一底面中心位置处加工有沉孔，其用于放置蓝宝石窗口片3，该沉孔与与蓝宝石窗口片尺寸相同，较通光孔直径大，优选直径为12.7mm；所述窗口片盖板2放置蓝宝石窗口片3的底面四周均匀分布有多个沉孔，优选为距离中心位置23mm处的多个φ5.5mm沉孔，该多个沉孔与所述碱金属主体部分的螺纹孔相匹配，在未放置蓝宝石窗口片的底面的合适位置处预留盲孔，以用于放置温度传感器，用于测量盖板温度；两个所述窗口片盖板2分别通过螺栓固定于碱金属室主体部分的上下底面，以此将两个蓝宝石窗口片3固定于所述碱金属室主体部分的上下底面，并通过O圈实现真空密封，O圈位于主体部分1和蓝宝石窗口片3之间，放于主体部分1的凹槽内，凹槽深度为O圈截面直径的50～80％；所述碱金属池堵头4放置于所述碱金属室主体部分预留的沉孔内，通过焊接的方式与主体部分连接，如图3所示，堵头将预留沉孔堵死后，在主体部分形成内孔，该内孔即为存放碱金属单质的碱金属池；针阀连接的不锈钢管5位于主体部分预留的另一沉孔内，通过焊接的方式与主体部分连接，其用于控制碱金属室与外界气体的交换和流通。由于碱金属具有极强的还原性，化学性质极为活泼，因此碱金属室主体部分、碱金属池堵头及充排气管均采用化学性质稳定的金属材料如316型不锈钢，以防止防止碱金属变质。

所述蓝宝石窗口片采用镀膜技术增加窗口片对泵浦光和激光的透过率，镀膜后，窗口片光洁度不大于20/40。窗口片可以是单面或双面镀膜；用于使得泵浦光和激光通过所述通光孔。

图4示出了本发明公开的上述碱金属蒸气室的装配及制作方法。如图4所示，该方法具体包括：

第一步，进行各部件的准备工作，包括蓝宝石窗口片镀膜、碱金属蒸气室的各个部件的超声波清洗、堵头以及不锈钢管的焊接等；

第二步，对碱金属蒸气室进行装配，即将所述放置有窗口片的盖板固定安装在所述主体部分的两底面，固定所述堵头和阀门；

第三步，对所述装配好的碱金属蒸气室进行检漏，待漏率小于1.2×10^-10mbar/(L×s)时，将已抽真空的碱金属蒸气室放入惰性气体(如氩气)保护气氛手套箱；

第四步，在手套箱内，打开针阀并开启一侧窗口片盖板，将碱金属以固态形式放入碱金属池内，重新固定窗口片盖板；

第五步，将封装好的碱金属蒸气室移出手套箱，通过高真空排气台置换碱金属蒸气室内的缓冲气体；所述高真空排气台与装有氦气、甲烷等缓冲气体的高纯气瓶连接，排气台通过不锈钢管中的针阀将碱金属蒸气室内的惰性气体气体抽出，然后将高纯气瓶内的高纯气体充入碱金属室内，以用于碱金属蒸气激光系统。

(1)本发明中的所述碱金属包括铷、钠、钾、铯等碱金属单质单体，可分别用于铷蒸气激光器、钠蒸气激光器、钾蒸气激光器、铯蒸气激光器等；

(2)本发明中的针阀还可以用球阀代替，用于保持碱金属蒸气室内部与大气的接触和连通；

(3)本发明中漏率值可以是其他符合真空性能要求的其他值，目的是使系统保持良好的真空性能，防止碱金属变质。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种碱金属蒸气室，其包括：两个窗口片、两个盖板和主体部分；

所述主体部分为圆柱体，其上下底面的中心位置处具有上下连通的通光孔，其圆柱侧面具有放置堵头的沉孔和阀门，所述放置堵头的沉孔和阀门与所述通光孔连通；

所述盖板也为与所述主体部分直径相同的圆柱体，其上底面具有通光孔，下底面具有放置所述窗口片的沉孔，该通光孔与沉孔上下连通；

其中，放置有窗口片的所述两个盖板分别固定在所述主体部分的上下底面形成所述碱金属蒸气室；且所述碱金属蒸气室的主体部分上的通光孔、盖板上的通光孔和放置窗口片的沉孔共心设置；所述堵头固定在所述放置堵头的沉孔中后，在所述主体部分内部形成用于放置碱金属的碱金属池。

2.如权利要求1所述的碱金属蒸气室，其特征在于，所述主体部分的上下底面具有与其上的通光孔共心的凹槽，其用于放置O圈，以实现真空密封。

3.如权利要求1所述的碱金属蒸气室，其特征在于，所述主体部分和盖板的圆柱面上均具有放置温度传感器的盲孔。

4.如权利要求1所述的碱金属蒸气室，其特征在于，所述主体部分的通光孔为在长度上具有中心对称性的锥形孔，其中间部分的直径大于两侧的直径。

5.如权利要求1所述的碱金属蒸气室，其特征在于，在使用所述碱金属蒸气室时，在惰性气体的保护下，将碱金属以固态形式放置于所述碱金属池内，并使用所述堵头进行密封。

6.如权利要求1所述的碱金属蒸气室，其特征在于，所述阀门用于控制碱金属蒸气室与外界的交换和流通，其为预留在所述主体部分的沉孔和放置于其中的不锈钢管构成，且所述不锈钢管与针阀或球阀连接。

7.如权利要求1所述的碱金属蒸气室，其特征在于，所述碱金属为碱金属单质单体，其包括铷、钠、钾或铯；所述碱金属蒸气室用于铷蒸气激光器、钠蒸气激光器、钾蒸气激光器、铯蒸气激光器。

8.如权利要求1所述的碱金属蒸气室，其特征在于，所述窗口片为蓝宝石窗口片，其采用镀膜技术加工成单面或双面镀膜窗口片，以增加对泵浦光和激光的透过率。

9.如权利要求1所述的碱金属蒸气室，其特征在于，所述主体部分和盖板均采用金属材料。

10.一种如权利要求1所述的碱金属蒸气室的制作方法，其包括：

步骤1、加工制备所述碱金属蒸气室的各个部件，并将所述放置有窗口片的盖板固定安装在所述主体部分的两底面，固定所述堵头和阀门；

步骤2、对所述碱金属蒸气室进行检漏，并在待漏率小于预定值时，将所述碱金属蒸气室放入惰性气体保护气氛手套箱中；

步骤3、在手套箱内，打开其中一个盖板，并将碱金属以固态形式放入碱金属池内，重新固定该盖板；

步骤4、将所述碱金属蒸气室移出手套箱，在高真空排气台上，通过所述阀门将所述碱金属蒸气室内的惰性气体抽出，然后通入高纯气体，并将其置于碱金属蒸气激光系统中。