CN103928824A - 一种热管型碱金属蒸汽激光器 - Google Patents

Abstract

一种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；谐振腔由输出镜、全反镜和偏振分束器组成L型，输出镜与偏振分束器上方，全反镜设置在偏振分束器右方；增益单元放置在偏振分束器和全反镜之间。

Description

一种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，具体涉及一种热管型碱金属蒸汽激光器。

背景技术

高效率、高功率、高光束质量的近红外激光光源一直是激光领域内众多研究人员的研究目标和方向，它在工业、医疗、军事和科研等多个领域有广阔应用前景。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，通常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：上下缠绕的加热丝4和6分别加热左端窗口1和右端窗口3，同样上下缠绕的加热丝5加热增益池的中间池体2，使两端窗口1和3的温度略高于中间2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中碱金属蒸汽在窗口上的凝结问题时所面临的缺点和限制，从而提供一种结构紧凑的、稳定运转的热管型碱金属蒸汽激光器。

本发明的技术方案是：

一种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；

谐振腔呈L型，由输出镜、全反镜和偏振分束器组成，输出镜设置在偏振分束器上方，在垂直方向两者同轴设置；全反镜设置在偏振分束器右方，在水平方向两者同轴设置；

增益单元放置在偏振分束器和全反镜之间。

左窗口和右窗口的内外两侧均镀有泵浦光和振荡光波段的增透膜。

输出镜镀有振荡光波段的部分反射膜，全反镜镀有振荡光和泵浦光波段的全反膜；偏振分束器对泵浦光全透，对振荡光全反，从而实现对泵浦光和振荡光的分离。

左窗口和右窗口可以替换为布儒斯特窗。

本发明的有益效果是：

1、碱金属蒸汽被限制在不锈钢管壳中央，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、不锈钢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，不锈钢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、采用布儒斯特窗时，谐振腔内振荡的线偏振光将无反射损耗地通过窗口，从而减小了腔内损耗。

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是本发明热管型外腔式碱金属蒸汽激光器的结构示意图。

图3是本发明热管型外腔式碱金属蒸汽激光器的另一结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

具体实施方式一：如图2所示，一种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。左窗口16和右窗口17的内外两侧均镀有泵浦光和振荡光波段的增透膜，从而尽量减少腔内损耗。

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。

谐振腔呈L型，由输出镜18、全反镜19和偏振分束器20组成，输出镜18设置在偏振分束器20上方，在垂直方向两者同轴设置；全反镜19设置在偏振分束器20右方，在水平方向两者同轴设置。所构成的谐振腔可以为稳定腔，也可以为非稳定腔。输出镜18镀有振荡光波段的部分反射膜，全反镜19镀有振荡光和泵浦光波段的全反膜。偏振分束器20对泵浦光（线偏振）全透，对振荡光（正交的线偏振方向）全反，从而实现对泵浦光和振荡光的分离。增益单元放置在偏振分束器20和全反镜19之间。

以铯蒸汽激光介质为例，实施方式一所述的热管型外腔式碱金属蒸汽激光器的具体工作过程为：加热器的温度设定在高于铯熔点（28.4℃）的某一温度，制冷器的温度设定在低于铯熔点的某一温度。放置在管壳15中央的固态铯金属被加热器10加热后，产生的铯蒸汽在蒸汽压差的作用下向两端的窗口移动。当铯蒸汽进入两端的冷凝段时，铯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。这样在不锈钢管壳15中形成均匀分布的、循环流动的铯蒸汽。泵浦光P通过偏振分束器20后，耦合汇聚进入铯蒸汽中，焦斑位于管壳15的中间位置。泵浦光P通过一次铯蒸汽后，被全反镜19再次全部反射回铯蒸汽中，进行第二次吸收。在泵浦激励作用下，铯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线偏振的894.6nm铯激光，铯激光再由输出镜18输出。

实施方式二：如图3所示，在实施方式一的基础上，为了减小激光器的腔内损耗，将布儒斯特窗应用到增益单元中，管壳15两端的左窗口21和右窗口22为布儒斯特窗，与激光器谐振腔光轴成一定角度。这样在谐振腔内振荡的线偏振光将无反射损耗地通过左右两窗口，从而减小了腔内损耗。

以铷蒸汽激光介质为例，实施方式二所述的热管型外腔式碱金属蒸汽激光器的具体工作过程为：加热器的温度设定在高于铷熔点（39.3℃）的某一温度，制冷器的温度设定在低于铷熔点的某一温度。放置在不锈钢管壳15中央的固态铷金属被加热器10加热后，产生的铷蒸汽在蒸汽压的作用下向两端的左窗口21和右窗口22移动。当铷蒸汽进入两端的冷凝段时，铷蒸汽凝结为液态并在吸液芯11的毛细力作用下回流至不锈钢管壳15中央的蒸发段，重新变为蒸汽形式并不断往复循环下去。这样在不锈钢管壳15中形成均匀分布的、循环流动的铷蒸汽。泵浦光P通过偏振分束器20后，耦合汇聚进入铷蒸汽中，焦斑位于不锈钢管壳15的中间位置。泵浦光P通过一次铷蒸汽后，被全反镜19再次全部反射回铷蒸汽中，进行第二次吸收。在泵浦激励作用下，铷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795.0nm铷激光，而且腔内的线偏振铷激光将无损耗地反复通过左窗口21和右窗口22，铷激光再由输出镜18输出。

Claims (4)

1.一种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；

谐振腔呈L型，由输出镜（18）、全反镜（19）和偏振分束器（20）组成，输出镜（18）设置在偏振分束器（20）上方，在垂直方向两者同轴设置；全反镜（19）设置在偏振分束器（20）右方，在水平方向两者同轴设置；

增益单元放置在偏振分束器（20）和全反镜（19）之间。

2.根据权利要求1所述的一种热管型碱金属蒸汽激光器，其特征是，左窗口（16）和右窗口（17）的内外两侧均镀有泵浦光和振荡光波段的增透膜。

3.根据权利要求1所述的一种热管型碱金属蒸汽激光器，其特征是，输出镜（18）镀有振荡光波段的部分反射膜，全反镜（19）镀有振荡光和泵浦光波段的全反膜；偏振分束器（20）对泵浦光全透，对振荡光全反，从而实现对泵浦光和振荡光的分离。

4.根据权利要求1所述的一种热管型碱金属蒸汽激光器，其特征是，左窗口（16）和右窗口（17）可以替换为布儒斯特窗。