CN103928823A - 内腔式热管型碱金属蒸汽激光器 - Google Patents

Abstract

内腔式热管型碱金属蒸汽激光器，属于激光技术领域，为针对现有碱金属蒸汽激光器中窗口上的凝结问题，设计增益单元为热管结构，左窗口和右窗口设置在管壳两端且密封；加热器套在管壳中央，在加热器两端等距离处对称设置左制冷器和右制冷器，在左制冷器和加热器之间填充左隔热材料层，在右制冷器和加热器之间填充右隔热材料层；管壳内衬有吸液芯，吸液芯的长度从左制冷器左端和右制冷器右端；在左窗口和左制冷器之间设置左充气口，在右窗口和右制冷器之间分别设置右充气口；两充气口都靠近各自相邻的窗口；谐振腔整合到热管增益单元中，左窗片直接作为全反镜，泵浦光P由左窗片入射，右窗片直接作为输出镜，激光由右窗片输出。

Description

内腔式热管型碱金属蒸汽激光器

技术领域

本发明属于激光技术领域，具体涉及内腔式热管型碱金属蒸汽激光器。

背景技术

近几年，LD泵浦碱金属蒸汽激光器因具有高效率、高功率和高光束质量输出的潜在优势，成为激光领域内的一大研究热点。

该激光器的碱金属增益介质是以原子蒸汽形式存在，因而需要密封在一个通光增益池中。由于碱金属具有很活泼的化学性质，增益池中不能有氧气或水蒸汽的存在。通常，在真空环境中首先将固态碱金属封入增益池中，然后加热增益池，使固态碱金属变为液态，碱金属液体在有限的密闭增益池中蒸发形成碱金属蒸汽原子。为了给激光振荡提供足够的增益，必须保持碱金属蒸汽以足够大的原子密度存在。碱金属蒸汽原子密度由增益池中的饱和蒸汽压决定，饱和蒸汽压由碱金属液体与蒸汽接触的表面温度决定，温度越高，饱和蒸汽压越大。因而，碱金属蒸汽激光器需要工作在一个恒定的温度环境中。

然而，在蒸汽压差作用下，碱金属蒸汽原子会由温度较高的地方向温度较低的地方移动，当遇到较冷的物体时，碱金属蒸汽就会凝结为液体或固体。在不采取任何措施的情况下，增益池的通光窗口由于暴露在外部环境，其温度较低，会导致碱金属蒸汽凝结在窗口上。其不利结果是增大腔内损耗，甚至导致激光器停止运转，不利于激光器的稳定运行。

针对该问题，现有的解决办法是使通光窗口的温度高于增益池内部碱金属蒸汽的温度，从而避免碱金属蒸汽在窗口上的凝结。其技术途径是对增益池进行分区加热，即对池体和窗口进行分段加热，从而使窗口的温度略高于增益池的温度。如图1所示，为分区加热的一种实例：分别在左端窗口1和右端窗口3外部缠绕加热丝4和加热丝6进行加热，同样在增益池的中间池体2外部缠绕加热丝5，使两端窗口的温度略高于中间池体的温度。但是分区加热的方式增加了加热系统的复杂性，尤其对于较短的增益池，这种加热方式尤为不便，而且在增益池轴向上也难以保证温度具有很好的均匀性。

发明内容

本发明为解决现有碱金属激光器对增益池进行分区加热存在的问题，提出一种结构紧凑的、稳定运转的内腔式热管型碱金属蒸汽激光器。

本发明的技术方案是：

内腔式热管型碱金属蒸汽激光器，包括增益单元和谐振腔，其特征是，

增益单元为热管结构，左窗口和右窗口设置在管壳两端且密封；加热器、左制冷器、右制冷器、左隔温材料层和右隔温材料层均为环形，加热器套在管壳中央，在加热器两端等距离处对称设置左制冷器和右制冷器，在左制冷器和加热器之间填充左隔热材料层，在右制冷器和加热器之间填充右隔热材料层；管壳内衬有吸液芯，吸液芯的长度从左制冷器左端和右制冷器右端；在左窗口和左制冷器之间设置左充气口，在右窗口和右制冷器之间分别设置右充气口；两充气口都靠近各自相邻的窗口；

谐振腔整合到热管增益单元中，左窗片直接作为全反镜，该全反镜对泵浦光全部透射，但对振荡光全部反射；泵浦光P由左窗片入射；右窗片直接作为输出镜，该输出镜对泵浦光全部反射，但对振荡光部分反射，激光由右窗片输出。

本发明的有益效果是：

1、碱金属蒸汽被限制在管壳中央，从而避免了碱金属蒸汽与窗口的物理接触，防止在通光窗口上形成斑点而造成腔内损耗增大。

2、管壳中的碱金属蒸汽一直处于循环流动状态，因而具有很高的导热性，能够把激光器运转过程中产生的废热很快地传递到冷凝段，从而提高了激光器的热管理性能。

3、由于热管具有优良的等温性，管壳内各处的碱金属蒸汽原子密度具有很高的均匀性，因而利于实现增益的均匀分布。

4、本发明将谐振腔整合到所述增益单元中的结构，组成内腔式结构的激光器，从而实现碱金属激光器的小型化，并且减小了腔内损耗。

附图说明

图1是现有为分区加热式碱金属蒸汽激光器中的增益单元。

图2是本发明内腔式热管型碱金属蒸汽激光器的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

如图2所示，内腔式热管型碱金属蒸汽激光器，包括增益单元和谐振腔。

增益单元为热管结构，包括管壳15、左窗口16、右窗口17、加热器10、左制冷器8、右制冷器13、吸液芯11、左隔温材料层9、右隔温材料层12、左充气口7和右充气口14。加热器10、右制冷器13、吸液芯11、左隔温材料层9和右隔温材料层12均为环形结构套在管壳15上。

管壳15为不锈钢材料，对碱金属蒸汽具有相容性，即在激光器运行过程中，碱金属蒸汽与管壳15不会发生显著的化学反应或物理变化。左窗口16和右窗口17的材料为石英玻璃或蓝宝石，通过法兰与不锈钢管壳15固定连接并密封。

加热器10套在管壳15中央，从而在管壳15中央形成蒸发段。蒸发段的长度根据泵浦功率大小以及碱金属蒸汽对泵浦光的吸收特性设定。蒸发段的温度由加热器10精确控制，温度设定在碱金属熔点之上的某一温度，温度控制精度为±0.5℃。在加热器的两端等间距对称设置左制冷器8和右制冷器13，从而在管壳15中的相应位置形成冷凝段。冷凝段的长度不能太短，以防止碱金属蒸汽得不到充分的凝结而进入到左窗口16和右窗口17附近。冷凝段的温度由左制冷器8和右制冷器13控制在碱金属熔点之下的某一温度。在左侧加热器和制冷器之间填充左隔热材料层9，在右侧加热器和制冷器之间填充右隔热材料层12。管壳15内衬有吸液芯11，吸液芯11为毛细材料，同样对碱金属蒸汽具有相容性。吸液芯11的长度刚好到冷凝段。在左窗口16和左制冷器8之间设置左充气口7，在右窗口17和右制冷器13之间分别设置右充气口14。两充气口都靠近各自相邻的窗口。两充气口各负责充入一种缓冲气体。在管壳15抽真空下，固态碱金属被放置到管壳15中央。

将谐振腔整合到热管增益单元中，管壳15一端的左窗片16直接作为全反镜，左窗片16镀有泵浦光波段的增透膜和振荡光波段的全反膜，泵浦光P由左窗片16入射。管壳15另一端的右窗片17直接作为输出镜，右窗片17镀有泵浦光波段的全反膜和振荡光波段的部分反射膜，激光由右窗片17输出。

以钾蒸汽激光介质为例，本实施方式所述的激光器的具体工作过程为：加热器的温度设定在高于钾熔点（63.6℃）的某一温度，制冷器的温度设定在低于钾熔点的某一温度。放置在管壳15中央的固态钾金属被加热器10加热后，产生的钾蒸汽在蒸汽压的作用下向两端的左窗口16和右窗口17移动。当钾蒸汽进入两端的冷凝段时，钾蒸汽凝结为液态并在吸液芯11的毛细力作用下回流至管壳15中央的蒸发段，重新变为蒸汽形式并不断往复循环下去。这样在管壳15中形成均匀分布的、循环流动的钾蒸汽。泵浦光P通过全反镜16后，耦合汇聚进入钾蒸汽中，焦斑位于不锈钢管壳13的中间位置。泵浦光P通过一次钾蒸汽后，被输出镜17再次全部反射回钾蒸汽，进行第二次吸收。在泵浦激励作用下，钾蒸汽原子实现有效的粒子数反转，通过谐振腔的反馈作用形成770.1nm钾激光，钾激光再由输出镜17输出。

Claims (2)

1.内腔式热管型碱金属蒸汽激光器，包括增益单元和谐振腔，其特征是，

增益单元为热管结构，左窗口（16）和右窗口（17）设置在管壳（15）两端且密封；加热器（10）、左制冷器（8）、右制冷器（13）、左隔温材料层（9）和右隔温材料层（12）均为环形，加热器（10）套在管壳（15）中央，在加热器（10）两端等距离处对称设置左制冷器（8）和右制冷器（13），在左制冷器和加热器之间填充左隔热材料层（9），在右制冷器和加热器之间填充右隔热材料层（12）；管壳（15）内衬有吸液芯（11），吸液芯（11）的长度从左制冷器（8）左端和右制冷器（13）右端；在左窗口（16）和左制冷器（8）之间设置左充气口（7），在右窗口（17）和右制冷器（13）之间分别设置右充气口（14）；两充气口都靠近各自相邻的窗口；

谐振腔整合到热管增益单元中，左窗片（16）直接作为全反镜，该全反镜对泵浦光全部透射，但对振荡光全部反射；泵浦光P由左窗片（16）入射；右窗片（17）直接作为输出镜，该输出镜对泵浦光全部反射，但对振荡光部分反射，激光由右窗片（17）输出。

2.根据权利要求1所述的内腔式热管型碱金属蒸汽激光器，其特征是，左窗片（16）镀有泵浦光波段的增透膜和振荡光波段的全反膜，右窗片（17）镀有泵浦光波段的全反膜和振荡光波段的部分反射膜。