CN104406931B - 碱金属激光器增益介质原子浓度和温度检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于激光器技术领域，公开了一种基于示踪原子或者示踪分子的碱金属激光器增益介质原子浓度和温度的检测装置及检测方法。该方法向碱金属激光器增益介质内添加一种处于基态的示踪原子或者示踪分子，利用探针激光入射至增益介质，调谐探针激光频率至示踪原子或者示踪分子吸收谱线中心频率处，通过测量泵浦前后探针激光被示踪原子或者示踪分子吸收后其透射功率的变化，得到泵浦条件下增益区内的碱金属原子浓度和介质温度。本发明结构简单，操作简便，测量结果准确，抗干扰性强，具有实时性，可靠性高，解决了碱金属激光器泵浦区域内原子浓度和温度测量的技术瓶颈，为碱金属激光器性能评估和诊断测试提供有效手段。
Description
技术领域
本发明属于激光器技术领域，具体涉及一种基于示踪原子或分子的碱金属激光器增益介质原子浓度和温度的检测装置及检测方法。
背景技术
半导体泵浦碱金属蒸气激光器(Diode pumped alkali vapor laser,DPAL)利用半导体激光器作为泵浦源激励碱金属原子(钾、铷或者铯)饱和蒸气实现激光输出。该类激光器综合了半导体激光器高功率输出和气相介质流动散热优势，具有高电光转换效率，具备高功率输出能力，在激光传能、航空航天以及军事等领域具有潜在应用价值。碱金属激光器稳定运行的关键因素是要确保半导体泵浦区域内碱金属原子浓度的稳定和低的介质温升。在高强度连续泵浦条件下，由于碱金属原子量子亏损将产生较高的热功率密度，在气体密闭静止或者流动散热不充分的情况下，废热沉积将导致泵浦区域产生显著温升，碱金属原子浓度显著下降，导致激光器输出功率下降甚至终止；同时，介质温度的升高也将导致光与原子以及原子与原子之间相互作用情况的改变，甚至引发化学反应，终止激光过程。因此，对高功率半导体泵浦区域内碱金属原子浓度以及温度的检测在碱金属激光器的性能评估和诊断测试方面具有重要意义。
目前常用的测量碱金属原子浓度的方法主要有吸收光谱法和法拉第偏振旋转法：吸收光谱法基于比尔定律，利用单频探针激光通过碱金属原子蒸气后的强度变化反推碱金属原子浓度，该方法适用于被探测碱金属原子均处于基态(2S1/2态)的情况；然而在DPAL高强度泵浦区域内，碱金属原子大多处于高能态(泵浦上能级2P3/2或者激光上能级2P1/2)，此时利用吸收光谱法测得的是探针激光频率所对应能级之间的粒子数差，而非总的碱金属原子浓度，因此不适用；法拉第偏振旋转法是基于法拉第磁光效应，通过测量线偏振探针光通过碱金属蒸气后偏振态的旋转角度确定碱金属原子浓度，该方法适合于测量碱金属原子蒸气浓度较高的情况(>1015cm-3)，DPAL中碱金属原子浓度在1012～1013cm-3量级，利用该方法得到的偏转角过小，难以实现精确测量，同时该方法需要施加强磁场，结构复杂，且测量过程本身可能对DPAL的性能产生影响，因此不适用。
基于上述常规测量方法的局限性，人们仅利用吸收光谱法在DPAL泵浦区域边缘测量了碱金属原子浓度以及温度分布梯度[C.Fox等，Temperature gradients in diode-pumped alkali lasers,SPIE Newsroom,2012]，并基于此对泵浦区域内的碱金属原子浓度和温升进行了推测[阙义钦等，100GHz光谱扫描测量碱金属蒸气激光器增益介质浓度，中国激光，41(5)，2014]，目前尚未实现对半导体泵浦区域内的碱金属增益介质原子浓度和温度的测量。
发明内容
本发明的目的在于克服上述常规测量方法的局限性，提出一种基于示踪原子或分子的碱金属激光器增益介质原子浓度和温度检测装置及检测方法，以解决碱金属激光器泵浦增益区内碱金属原子浓度和温度测量的技术瓶颈，为激光器性能评估和诊断测试提供有效手段。
本发明采用的技术方案是：一种碱金属激光器增益介质原子浓度和温度检测装置，该装置包括半导体泵浦激光器、光束整形和聚焦光学系统、碱金属蒸气增益介质、一号腔镜、二号腔镜、探针激光器、光学隔离器、偏振调节元件、一号分光镜、二号分光镜、激光波长计、一号激光功率计、二号激光功率计、一号偏振分光元件、二号偏振分光元件、信号处理设备，其中一号腔镜和二号腔镜构成了激光谐振腔，所述激光谐振腔内含有碱金属蒸气增益介质，所述碱金属蒸气增益介质内包含有工作碱金属原子、示踪原子及产生碱金属蒸气激光所需的其他缓冲气体。
半导体泵浦激光器发出的泵浦光经过光束整形和聚焦光学系统后入射至一号腔镜、碱金属蒸气增益介质和二号腔镜，在一号腔镜和二号腔镜构成的激光谐振腔反馈作用下产生碱金属蒸气激光输出，此处光路定义为碱金属蒸气激光光路A。
探针激光器发出的线偏振探针激光，首先经过光学隔离器，所述光学隔离器用于防止探针激光入射至后续光学元件时由于散射产生的反馈回光对探针激光器的功率和光谱特性产生负面影响，光学隔离器出射的线偏振探针激光经过偏振调节元件对其空间偏振方向进行调节后，先后经过一号分光镜和二号分光镜，其中一号分光镜将一部分探针激光分至激光波长计，从一号分光镜透射出的探针激光经二号分光镜，二号分光镜将一部分从一号分光镜透射出的探针激光分至一号激光功率计，从二号分光镜透射出的探针激光经过一号偏振分光元件反射后入射至碱金属蒸气增益介质内，经过其包含的示踪原子吸收后，从碱金属蒸气增益介质透射出的探针激光再经过二号偏振分光元件反射后入射至二号激光功率计，此处光路定义为光路B；经过激光波长计、一号激光功率计及二号激光功率计检测得到的数据均输入信号处理设备，在信号处理设备内完成对入射和透射探针激光功率数据的处理，最后经过软件分析计算得到泵浦前后在泵浦区域内的碱金属增益介质原子浓度和温度变化信息；
进一步地，所述碱金属激光器增益介质可以是静止的或者流动的。
进一步地，所述碱金属激光器增益介质中含有的工作碱金属原子是钾、铷或者铯中的一种。
进一步地，所述碱金属激光器增益介质中含有的示踪原子可以是锂、钠、钾、铷或者铯中的一种，但其种类应该不同于碱金属激光器增益介质中含有的工作碱金属原子。
进一步地，所述碱金属激光器增益介质中含有的示踪原子可以用其他能够利用吸收光谱法进行浓度检测的示踪分子，如甲烷、乙烷以及其他分子来代替。
进一步地，所述探针激光器的线宽应远小于示踪原子或分子吸收谱线的宽度，其波长可以调谐至示踪原子或示踪分子吸收谱线中心频率处。
进一步地，所述探针激光器可以工作于固定波长或者工作于波长扫描模式。
进一步地，所述探针激光器可以为固体激光器、光纤激光器、半导体激光器或者气体激光器中的一种。
进一步地，所述一号分光镜和二号分光镜的分光比在4％～10％之间。
本发明还提供一种碱金属激光器增益介质原子浓度和温度的检测方法，该方法包括以下步骤：
S1、向碱金属激光器增益介质内添加处于基态的示踪原子或者示踪分子：
对于在室温下(25℃)处于气态的示踪原子或者示踪分子，将示踪原子或者示踪分子按照所需浓度直接充入碱金属增益介质腔体内并密封；对于在室温下处于固态或者液态、需要加热以产生所需浓度饱和蒸气的示踪原子或者示踪分子，在向碱金属激光器增益介质腔体内放入碱金属工作物质(工作碱金属原子及产生碱金属蒸气激光所需的其他缓冲气体)的同时放入固态或者液态的示踪原子或者示踪分子并密封，通过加热产生气态的示踪原子或者示踪分子。
S2、搭建碱金属蒸气激光产生系统及基于示踪原子或者示踪分子的探针激光吸收光谱测量光路系统：
S2.1、利用步骤S1中充入示踪原子或者示踪分子的碱金属激光器增益介质搭建半导体泵浦碱金属蒸气激光器，所述半导体泵浦碱金属蒸气激光器由半导体泵浦激光器、光束整形和聚焦光学系统、碱金属蒸气增益介质、一号腔镜、二号腔镜组成，半导体泵浦激光器发出的泵浦光经过光束整形和聚焦光学系统后入射至一号腔镜、碱金属蒸气增益介质和二号腔镜，在一号腔镜和二号腔镜构成的激光谐振腔反馈作用下产生碱金属蒸气激光输出，此处光路定义为光路A；
S2.2、利用探针激光器、光学隔离器、偏振调节元件、一号分光镜、二号分光镜、激光波长计、一号激光功率计、二号激光功率计、一号偏振分光元件、二号偏振分光元件、信号处理设备搭建探针激光吸收光谱测量光路系统。探针激光器发出的探针激光经过光学隔离器、偏振调节元件、一号分光镜、二号分光镜后再通过一号偏振分光元件耦合进由一号腔镜和二号腔镜构成的激光谐振腔并入射到碱金属蒸气增益介质内，此处光路定义为光路B，通过调节探针激光器的位置对入射到碱金属蒸气增益介质内的探针激光的空间位置进行调节，使其与由半导体泵浦激光器发出的泵浦激光在碱金属蒸气增益介质内保持光束中心共线，再将经过碱金属蒸气增益介质后透射的探针激光利用二号偏振分光元件耦合出激光谐振腔；在此过程中利用一号激光功率计检测得到入射探针激光功率P0；
S3、将探针激光的频率调谐至示踪原子或者示踪分子吸收光谱的中心频率处，在未泵浦条件下，利用激光波长计对探针激光频率进行检测，将探针激光频率精确调谐至示踪原子或者示踪分子吸收光谱中心频率处；
S4、分别在未泵浦和泵浦条件下测量探针激光经过碱金属蒸气增益介质被示踪原子或者示踪分子吸收后的透射功率，通过计算得到介质温度和碱金属原子浓度在泵浦前后的变化信息：
S4.1、在未泵浦条件下，通过采用热电偶测量得到碱金属蒸气增益介质温度为T1，根据碱金属饱和蒸气压公式计算得到在温度T1条件下的碱金属原子浓度为n1；利用二号激光功率计测量探针激光经过示踪原子或者示踪分子吸收后的透射功率为P1；
S4.2、开启半导体泵浦激光器，使其产生泵浦激光，在泵浦光作用下碱金属原子由于量子亏损产生废热导致介质温升，泵浦区域内示踪原子或者示踪分子浓度随之下降，此时利用二号激光功率计测量探针激光经过示踪原子或者示踪分子吸收后的透射功率为P2；
S4.3、根据理论计算可以得到，泵浦区域的介质温度在泵浦后的温度为：T2＝T1·[ln(P0/P2)/ln(P0/P1)]-2/3；碱金属原子在泵浦后的浓度为：n2＝n1·(T2/T1)-1。
本发明的技术效果在于：
1.本发明利用不同于工作碱金属原子的示踪原子或者其他能够利用吸收光谱法进行浓度检测的示踪原子或者示踪分子作为探测媒介，避免了对工作碱金属原子直接探测的诸多局限，抗干扰性强，能够准确获得泵浦增益区内碱金属增益介质原子浓度和温度信息，为激光器性能评估和诊断测试提供有效手段；
2.本发明基于吸收光谱法，装置结构简单，操作简便，测量结果准确，具有实时性，可靠性高。
附图说明
图1为钠原子能级结构示意图；
图2为铷金属饱和蒸气压随温度变化关系曲线；
图3为钠金属饱和蒸气压随温度变化关系曲线；
图4为基于示踪钠原子的铷蒸气激光器泵浦区域内铷原子浓度和温度检测装置结构示意图；
图5为本发明所述检测方法的工作流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
本发明所提出的基于示踪原子或者示踪分子的碱金属激光器增益介质原子浓度和温度检测方法，以典型的铷蒸气激光器为例，示踪原子以钠原子为例，该发明同样适用于钾或铯蒸气激光器。
图1为钠原子能级结构图。2S1/2为基态，2P1/2和2P3/2为激发态；D1线代表2S1/2→2P1/2光吸收跃迁，D2线代表2S1/2→2P3/2光吸收跃迁；探针激光器波长可以调谐至D1线或者D2线光吸收跃迁的谱线中心波长处进行吸收光谱探测；
图2和图3分别为铷原子和钠原子饱和蒸气原子浓度随温度的变化曲线。对于铷蒸气激光器，操作温度通常在(100～200)℃范围内；在该温度范围内，钠原子浓度比铷原子浓度低2～3个数量级，目的在于避免探针激光功率被钠原子蒸气完全吸收而导致无法探测的情况；
图4为基于钠示踪原子的铷蒸气激光器增益介质原子浓度和温度检测装置结构示意图。半导体激光器1为用于泵浦铷原子D1吸收线的780nm窄线宽(线宽<0.5nm)泵浦源，发出的泵浦光经过光束整形和聚焦光学系统2后经一号腔镜4-1入射至碱金属蒸气增益介质3，碱金属蒸气增益介质3内包含铷原子、钠示踪原子以及产生激光所需的其他缓冲气体，其中钠示踪原子是和铷原子一起以固态金属单质方式放入增益腔体内并通过加热产生所需的饱和蒸气的，在由一号腔镜4-1和二号腔镜4-2组成的激光谐振腔的反馈作用下产生795nm波长的碱金属蒸气激光输出；探针激光器5具有<1MHz的窄输出线宽，其发出的线偏振探针激光经过光学隔离器6，光学隔离器6的作用在于防止反馈激光对探针激光的功率和光谱产生不利影响，经过偏振调节元件7(如半波片等)对探针激光的线偏振空间指向进行调节，再经过分光比在4％～10％的一号平面分光镜8-1将其部分分光至激光波长计9，激光波长计9用于对探针激光器5输出探针激光的波长进行精确检测，根据检测结果通过对探针激光器进行调谐使其中心波长精确对准钠原子D1吸收谱线中心频率处(589nm)；经过一号平面分光镜8-1透射的探针激光经过分光比在4％～10％的二号平面分光镜8-2反射后入射至一号激光功率计10-1，一号激光功率计10-1用于探测入射探针激光功率P0，经过二号平面分光镜8-2透射的探针激光经过一号偏振分光元件11-1(如偏振分光棱镜等)反射后耦合入射至碱金属蒸气增益介质3内，经过钠原子蒸气的吸收后，透射探针激光通过二号偏振分光元件11-2(如偏振分光棱镜等)反射后离开激光谐振腔，入射至二号激光功率计10-2；在未泵浦和泵浦条件下，二号激光功率计10-2测得的透射探针激光功率分别为P1(未泵浦)和P2(泵浦)，信号处理设备12对激光波长计9、一号激光功率计10-1和二号激光功率计10-2采集的数据进行处理，计算得到碱金属蒸气增益介质内铷原子浓度和温度在泵浦前后的变化。
Claims (9)
1.一种碱金属激光器增益介质原子浓度和温度检测装置，其特征在于：所述装置包括半导体泵浦激光器(1)、光束整形和聚焦光学系统(2)、碱金属蒸气增益介质(3)、一号腔镜(4-1)、二号腔镜(4-2)、探针激光器(5)、光学隔离器(6)、偏振调节元件(7)、一号分光镜(8-1)、二号分光镜(8-2)、激光波长计(9)、一号激光功率计(10-1)、二号激光功率计(10-2)、一号偏振分光元件(11-1)、二号偏振分光元件(11-2)、信号处理设备(12)，其中一号腔镜(4-1)和二号腔镜(4-2)构成了激光谐振腔，所述激光谐振腔内含有碱金属蒸气增益介质(3)，所述碱金属蒸气增益介质(3)内包含有工作碱金属原子、示踪原子或者示踪分子及产生碱金属蒸气激光所需的缓冲气体；
半导体泵浦激光器(1)发出的泵浦光经过光束整形和聚焦光学系统(2)后入射至一号腔镜(4-1)、碱金属蒸气增益介质(3)和二号腔镜(4-2)，在一号腔镜(4-1)和二号腔镜(4-2)构成的激光谐振腔反馈作用下产生碱金属蒸气激光输出；
探针激光器(5)发出的线偏振探针激光，首先经过光学隔离器(6)，所述光学隔离器(6)用于防止探针激光入射至后续光学元件时由于散射产生的反馈回光对探针激光器(5)的功率和光谱特性产生负面影响，光学隔离器(6)出射的线偏振探针激光经过偏振调节元件(7)对其空间偏振方向进行调节后，先后经过一号分光镜(8-1)和二号分光镜(8-2)，其中一号分光镜(8-1)将一部分探针激光分至激光波长计(9)，从一号分光镜(8-1)透射出的探针激光经二号分光镜(8-2)，二号分光镜(8-2)将一部分从一号分光镜(8-1)透射出的探针激光分至一号激光功率计(10-1)，从二号分光镜(8-2)透射出的探针激光经过一号偏振分光元件(11-1)反射后入射至碱金属蒸气增益介质(3)内，经过其包含的示踪原子或者示踪分子吸收后，从碱金属蒸气增益介质(3)透射出的探针激光再经过二号偏振分光元件(11-2)反射后入射至二号激光功率计(10-2)；
经过激光波长计(9)、一号激光功率计(10-1)及二号激光功率计(10-2)检测得到的数据均输入信号处理设备(12)，在信号处理设备(12)内完成对入射和透射探针激光功率数据的处理，最后经过软件分析计算得到泵浦前后在泵浦区域内的碱金属增益介质原子浓度和温度变化信息。
2.一种如权利要求1所述碱金属激光器增益介质原子浓度和温度检测装置，其特征在于：所述碱金属激光器增益介质(3)是静止的。
3.一种如权利要求1所述碱金属激光器增益介质原子浓度和温度检测装置，其特征在于：所述碱金属激光器增益介质(3)是流动的。
4.一种如权利要求1所述碱金属激光器增益介质原子浓度和温度检测装置，其特征在于：所述碱金属激光器增益介质(3)中含有的工作碱金属原子是钾、铷或者铯中的一种。
5.一种如权利要求4所述碱金属激光器增益介质原子浓度和温度检测装置，其特征在于：所述碱金属激光器增益介质(3)中含有的示踪原子是锂、钠、钾、铷或者铯中的一种，但其种类应该不同于碱金属激光器增益介质(3)中含有的工作碱金属原子。
6.一种如权利要求1或5所述碱金属激光器增益介质原子浓度和温度检测装置，其特征在于：所述探针激光器(5)的线宽应远小于示踪原子或分子吸收谱线的宽度，其波长调谐至示踪原子或示踪分子吸收谱线中心频率处。
7.一种如权利要求1所述碱金属激光器增益介质原子浓度和温度检测装置，其特征在于：所述探针激光器(5)为固体激光器、光纤激光器、半导体激光器或者气体激光器中的一种。
8.一种如权利要求1所述碱金属激光器增益介质原子浓度和温度检测装置，其特征在于：所述一号分光镜(8-1)和二号分光镜(8-2)的分光比在4％～10％之间。
9.一种利用如权利要求1所述碱金属激光器增益介质原子浓度和温度检测装置的检测方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
S1、向碱金属激光器增益介质(3)内添加处于基态的示踪原子或者示踪分子：
对于在室温下处于气态的示踪原子或者示踪分子，将示踪原子或者示踪分子按照所需浓度直接充入碱金属增益介质腔体内并密封；对于在室温下处于固态或者液态、需要加热以产生所需浓度饱和蒸气的示踪原子或者示踪分子，在向碱金属激光器增益介质腔体内放入碱金属工作物质的同时放入固态或者液态的示踪原子或者示踪分子并密封，通过加热产生气态的示踪原子或者示踪分子；
S2、搭建碱金属蒸气激光产生系统及基于示踪原子或者示踪分子的探针激光吸收光谱测量光路系统：
S2.1、利用步骤S1中充入示踪原子或者示踪分子的碱金属激光器增益介质搭建半导体泵浦碱金属蒸气激光器，所述半导体泵浦碱金属蒸气激光器由半导体泵浦激光器(1)、光束整形和聚焦光学系统(2)、碱金属蒸气增益介质(3)、一号腔镜(4-1)、二号腔镜(4-2)组成，半导体泵浦激光器(1)发出的泵浦光经过光束整形和聚焦光学系统(2)后入射至一号腔镜(4-1)、碱金属蒸气增益介质(3)和二号腔镜(4-2)，在一号腔镜(4-1)和二号腔镜(4-2)构成的激光谐振腔反馈作用下产生碱金属蒸气激光输出；
S2.2、利用探针激光器(5)、光学隔离器(6)、偏振调节元件(7)、一号分光镜(8-1)、二号分光镜(8-2)、激光波长计(9)、一号激光功率计(10-1)、二号激光功率计(10-2)、一号偏振分光元件(11-1)、二号偏振分光元件(11-2)、信号处理设备(12)搭建探针激光吸收光谱测量光路系统，探针激光器(5)发出的探针激光经过光学隔离器(6)、偏振调节元件(7)、一号分光镜(8-1)、二号分光镜(8-2)后再通过一号偏振分光元件(11-1)耦合进由一号腔镜(4-1)和二号腔镜(4-2)构成的激光谐振腔并入射到碱金属蒸气增益介质(3)内，通过调节探针激光器(5)的位置对入射到碱金属蒸气增益介质(3)内的探针激光的空间位置进行调节，使其与由半导体泵浦激光器(1)发出的泵浦激光在碱金属蒸气增益介质(3)内保持光束中心共线，再将经过碱金属蒸气增益介质(3)后透射的探针激光利用二号偏振分光元件(11-2)耦合出激光谐振腔；在此过程中利用一号激光功率计(10-1)检测得到入射探针激光功率P0；
S3、将探针激光的频率调谐至示踪原子或者示踪分子吸收光谱的中心频率处，在未泵浦条件下，利用激光波长计(9)对探针激光频率进行检测，将探针激光频率精确调谐至示踪原子或者示踪分子吸收光谱中心频率处；
S4、分别在未泵浦和泵浦条件下测量探针激光经过碱金属蒸气增益介质(3)被示踪原子或者示踪分子吸收后的透射功率，通过计算得到介质温度和碱金属原子浓度在泵浦前后的变化信息：
S4.1、在未泵浦条件下，通过采用热电偶测量得到碱金属蒸气增益介质温度为T1，根据碱金属饱和蒸气压公式计算得到在温度T1条件下的碱金属原子浓度为n1；利用二号激光功率计(10-2)测量探针激光经过示踪原子或者示踪分子吸收后的透射功率为P1；
S4.2、开启半导体泵浦激光器(1)，使其产生泵浦激光，在泵浦光作用下碱金属原子由于量子亏损产生废热导致介质温升，泵浦区域内示踪原子或者示踪分子浓度随之下降，此时利用二号激光功率计(10-2)测量探针激光经过示踪原子或者示踪分子吸收后的透射功率为P2；
S4.3、根据理论计算可以得到，泵浦区域的介质温度在泵浦后的温度为：T2＝T1·[ln(P0/P2)/ln(P0/P1)]-2/3；碱金属原子在泵浦后的浓度为：n2＝n1·(T2/T1)-1。
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Also Published As
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|---|---|
| CN104406931A (zh) | 2015-03-11 |
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