CN106532425A - 端面泵浦碱金属蒸气激光器的梯度式加热‑温控方法 - Google Patents

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王浟
韩聚洪
安国斐
张伟
薛亮平
王宏元
周杰
王顺艳
容克鹏
余杭
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Abstract

本发明公开了一种端面泵浦碱金属蒸气激光器的梯度式加热‑温控方法，其包括以下步骤：1)沿光轴方向将碱金属蒸气池划分成不同的区域；2)根据实际情况，对各区域设定相应的工作温度；3)使用多个独立的温度控制器对各区域进行独立的温度控制，使各区域的温度分别达到所设定的参数，实现对蒸气池的梯度式加热和温度控制。本发明可实现密闭蒸气池内碱金属蒸气介质密度的非均匀分布；可避免出现大部分的泵浦能量被蒸气池内输入端窗附近的激光介质吸收的现象；能减小因工作物质与缓冲气体的化学反应所导致的蒸气池端窗的损坏概率；可实现增益介质在蒸气池光轴方向上对泵浦能量的均匀吸收；有利于提高最终输出的DPAL的光束质量。

Description

端面泵浦碱金属蒸气激光器的梯度式加热-温控方法
技术领域
本发明属于碱金属蒸气池的加热-温控领域，涉及一种端面泵浦碱金属蒸气激光器的梯度式加热-温控方法。
背景技术
半导体激光泵浦碱金属激光器(Diode Pumped Alkali Vapor Laser,DPAL)是使用半导体激光(LD)激发呈气体状态的碱金属激光介质的新型高效激光器。它综合了气体激光器和半导体激光泵浦固态激光器的主要优点，同时又克服了各自的主要缺点，具有斯托克斯效率高、光束质量好、热管理性能优良、线宽窄、激光器结构紧凑等诸多优点。DPAL在高功率激光应用领域显示出明显的技术优势和应用潜力，目前正迅速成为下一代实用化高功率新型激光光源之一。
作为DPAL的增益介质，碱金属蒸气可通过加热含有固态/液态碱金属介质的密闭蒸气池来获得，其饱和蒸气密度随蒸气池温度的升高而急剧增大。迄今为止，国内外研究者在端面泵浦碱金属蒸气激光结构中基本采用均匀温控的方法来获得预期的激光增益介质密度。但由于原子化的碱金属有着较大的吸收截面，在对蒸气池进行均匀温控时，大部分的泵浦能量会被蒸气池内输入端窗附近的激光介质吸收。这带来了两方面的问题：一方面，输入端窗附近区域的激光介质在吸收泵浦能量时同时会产生大量的热量，这将导致蒸气池内某一特定区域的局部温度要高于外部温控系统所设定的工作温度，进而会影响DPAL的输出光束质量和光-光转换效率；另一方面，在高泵浦功率密度注入时，对输入端窗附近区域的蒸气态激光介质而言，高温状态下处于激光上能级的电子会通过碰撞能量合并效应(Energy Pooling)跃迁至更高能级的激发态，并与蒸气池内的烃类缓冲气体发生化学反应，会出现化学沉积污染即“激光雪”现象，影响碱金属激光器的连续高功率运转能力，严重时甚至会直接导致蒸气池端窗的损坏，使激光器无法正常工作。
发明内容
(一)发明目的
本发明的目的是：克服现有技术中的缺陷，提供一种端面泵浦碱金属蒸气激光器的梯度式加热-温控方法，实现对碱金属蒸气池进行非均匀梯度式的加热温控。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一种端面泵浦碱金属蒸气激光器的梯度式加热-温控方法，其包括以下步骤：
1)沿光轴方向将碱金属蒸气池划分成不同的区域；
2)根据实际情况，对各区域设定相应的工作温度；
3)使用多个独立的温度控制器对各区域进行独立的温度控制，使各区域的温度分别达到所设定的参数，实现对蒸气池的梯度式加热和温度控制。
其中，所述步骤1)中，对碱金属蒸气池沿光轴方向所划分区域的数量大于或等于2个。
其中，所述步骤3)中，温度控制器包括加热器、温度传感器和控制系统。
其中，各所述温度控制器之间通过隔热模块隔开。
其中，对碱金属蒸气池各区域设定工作温度时，使靠近蒸气池入射端窗区域的温度低于其他区域的温度。
其中，所述碱金属蒸气池沿光轴方向划分为四个温度控制区域。
其中，每个区域温控的实施过程为：温度传感器实时测量对应区域的温度，并将测试结果反馈回控制系统；控制系统将所测量温度和所设置的工作温度进行比较，当测量温度小于工作温度时，对加热器发出加热指令；当测量温度大于或等于工作温度时，对加热器发出停止加热的指令；加热器根据控制系统发送的指令，对对应区域进行加热或停止加热。
其中，所述碱金属蒸气池内充入有碱金属介质，为钠、钾、铷或铯金属。
其中，所述碱金属蒸气池内充入有缓冲气体，为氦气、甲烷、乙烷、丙烷等单种气体，或上述气体的混合组分。
其中，所述碱金属蒸气池的前后端窗进行镀膜处理。
(三)有益效果
上述技术方案所提供的端面泵浦碱金属蒸气激光器的梯度式加热-温控方法，可实现密闭蒸气池内碱金属蒸气介质密度的非均匀分布；可避免出现大部分的泵浦能量被蒸气池内输入端窗附近的激光介质吸收的现象；能减小因工作物质与缓冲气体的化学反应所导致的蒸气池端窗的损坏概率；可实现增益介质在蒸气池光轴方向上对泵浦能量的均匀吸收；有利于提高最终输出的DPAL的光束质量；适用于构建高功率半导体激光泵浦碱金属蒸气激光器。
附图说明
图1中a图和b图分别是碱金属密闭蒸气池1的二维和三维结构图。
图2中碱金属蒸气池1沿光轴方向被划分为A、B、C、D四个温度控制区域。
图3中使用了四个相互独立的温控系统TC1、TC2、TC3、TC4分别对A、B、C、D四个温度控制区域进行温度控制，a图和b图分别是二维和三维结构图。
图4是温控系统TC1的工作流程图。
图5是在不同的温控区域之间采取隔热措施的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
为了解决DPAL中大部分泵浦能量被碱金属蒸气池入射端窗附近的激光介质吸收而导致的光轴方向上增益分布的不均匀、激光光束质量的降低、光-光转换效率的降低以及蒸气池的端窗损坏等问题，本发明提供一种端面泵浦碱金属蒸气激光器的梯度式加热-温控方法。
该方法利用碱金属的饱和蒸气密度紧密依存于蒸气池温度的特点，通过非均匀梯度式的加热-温控方法调节蒸气池内光轴方向上的粒子数密度分布，从而实现可调控蒸气池不同位置处泵浦吸收率的目的。采用本发明的方法可避免大部分的泵浦能量被蒸气池内的小区域激光介质所吸收的现象，从原理上可实现增益介质在蒸气池光轴方向上对泵浦能量的均匀吸收，这将有利于高光—光转换效率和高光束质量的DPAL输出。此外，还可以降低因工作物质与缓冲气体发生化学反应而导致蒸气池端窗损坏的概率。
本发明方法的具体实现方案包括以下步骤：
1)沿光轴方向将碱金属蒸气池划分成不同的区域；
2)根据实际情况，对各区域设定相应的工作温度；
3)使用多个独立的温度控制器对各区域进行高效精密的温度控制，使各区域的温度分别达到所设定的参数，从而实现对蒸气池的梯度式加热和温度控制。
进一步的，对蒸气池沿光轴方向所划分区域的数量应该大于或等于2个。
进一步的，温度控制器由加热器、温度传感器和控制电路组成。
进一步的，各温度控制器之间采取一定的隔热措施，尽可能减轻热传导现象对温控精度所造成的不利影响。
进一步的，对蒸气池各区域设定工作温度时，使靠近蒸气池入射端窗区域的温度低于其他区域的温度。此步骤的实施可减小蒸气池入射端窗附近的增益介质密度，降低该区域碱金属蒸气介质对泵浦能量的吸收率，同时还能降低该区域内的工作物质与缓冲气体发生化学反应的概率。
其中，碱金属蒸气池内充入的碱金属介质为钠、钾、铷或铯金属。碱金属蒸气池内所充入的缓冲气体可为氦气、甲烷、乙烷、丙烷等单种气体，也可为上述气体的混合组分。碱金属蒸气池的前后端窗可进行镀膜处理。
下面以具体的实例对上述方法做进一步详细阐述。
图1为待加热的碱金属蒸气池1的二维和三维结构图。
图2中将碱金属蒸气池1沿光轴方向划分为A、B、C、D四个温度控制区域，各区域对应的工作温度分别为T1、T2、T3、T4。需要指出的是，在实际应用时温度控制区域的具体数量、各温度控制区域的面积和工作温度需要根据理论模拟和实验数据来确立。在具体实施过程中，可根据DPAL的激光光束质量、光-光转换效率等结果对上述诸参量进行调整。
图3中，使用了四个相互独立的温控系统TC1、TC2、TC3、TC4分别对A、B、C、D四个温度控制区域进行高效的温度调控。温控系统由加热器、温度传感器和伺服控制系统组成。以下以温控系统TC1为例，简要阐述温控的实施过程：①温度传感器实时测量蒸气池的A区域的温度T01，并将测试结果反馈回控制系统；②伺服控制系统将温度T01和所设置的工作温度T1进行比较，当测量温度T01小于工作温度T1时，对加热器发出加热蒸气池A区域的指令；当测量温度T01大于或等于工作温度T1时，对加热器发出停止加热的指令；③加热器根据控制电路发送的指令，对A区域进行加热或停止加热。温控系统TC1的工作原理如图4所示。
为避免在温控系统TC1、TC2、TC3、TC4之间的热传导效应对温控效果产生负面干扰和影响，A、B、C、D四个温度控制区域之间需要采取一定的隔热措施，具体如图5所示。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种端面泵浦碱金属蒸气激光器的梯度式加热-温控方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)沿光轴方向将碱金属蒸气池划分成不同的区域；
2)根据实际情况，对各区域设定相应的工作温度；
3)使用多个独立的温度控制器对各区域进行独立的温度控制，使各区域的温度分别达到所设定的参数，实现对蒸气池的梯度式加热和温度控制。
2.如权利要求1所述的端面泵浦碱金属蒸气激光器的梯度式加热-温控方法，其特征在于，所述步骤1)中，对碱金属蒸气池沿光轴方向所划分区域的数量大于或等于2个。
3.如权利要求2所述的端面泵浦碱金属蒸气激光器的梯度式加热-温控方法，其特征在于，所述步骤3)中，温度控制器包括加热器、温度传感器和控制系统。
4.如权利要求2所述的端面泵浦碱金属蒸气激光器的梯度式加热-温控方法，其特征在于，各所述温度控制器之间通过隔热模块隔开。
5.如权利要求2所述的端面泵浦碱金属蒸气激光器的梯度式加热-温控方法，其特征在于，对碱金属蒸气池各区域设定工作温度时，使靠近蒸气池入射端窗区域的温度低于其他区域的温度。
6.如权利要求2所述的端面泵浦碱金属蒸气激光器的梯度式加热-温控方法，其特征在于，所述碱金属蒸气池沿光轴方向划分为四个温度控制区域。
7.如权利要求3所述的端面泵浦碱金属蒸气激光器的梯度式加热-温控方法，其特征在于，每个区域温控的实施过程为：温度传感器实时测量对应区域的温度，并将测试结果反馈回控制系统；控制系统将所测量温度和所设置的工作温度进行比较，当测量温度小于工作温度时，对加热器发出加热指令；当测量温度大于或等于工作温度时，对加热器发出停止加热的指令；加热器根据控制系统发送的指令，对对应区域进行加热或停止加热。
8.如权利要求7所述的端面泵浦碱金属蒸气激光器的梯度式加热-温控方法，其特征在于，所述碱金属蒸气池内充入有碱金属介质，为钠、钾、铷或铯金属。
9.如权利要求8所述的端面泵浦碱金属蒸气激光器的梯度式加热-温控方法，其特征在于，所述碱金属蒸气池内充入有缓冲气体，为氦气、甲烷、乙烷、丙烷等单种气体，或上述气体的混合组分。
10.如权利要求9所述的端面泵浦碱金属蒸气激光器的梯度式加热-温控方法，其特征在于，所述碱金属蒸气池的前后端窗进行镀膜处理。
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