CN109038183A - 高冷却效率栅状大功率碱金属激光器用密闭蒸汽池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高冷却效率栅状大功率碱金属激光器用密闭蒸汽池系统，其包括：栅状密闭蒸汽池和温控加热器，所述栅状密闭蒸汽池为栅状，其包括多个内腔相连通的栅片，相连通的内腔内充有缓冲气体以及碱金属介质；温控加热器设置在栅状密闭蒸汽池外部，温控加热器为栅状，其导热片与栅状密闭蒸汽池的表面相贴合。本发明利用栅状结构增大了端面与空气的接触面积，可以有效的将多余热量传递到空气中；另外由于栅状空隙的存在，亦可以采用风冷装置对其进行散热，进一步加大了散热效率。

Description

高冷却效率栅状大功率碱金属激光器用密闭蒸汽池系统
技术领域
本发明属于碱金属激光器用密闭蒸汽池领域，涉及一种高冷却效率栅状大功率碱金属激光器用密闭蒸汽池系统。
背景技术
半导体激光泵浦碱金属蒸气激光器(Diode Pumped Alkali Laser, DPAL)是一种典型的三能级激光系统，其增益介质为呈气态碱金属原子(钾K、铷Rb、铯Cs)。作为一种新型的激光光源，DPAL具备许多独特的优点，例如斯托克斯效率高、光-光转换效率较高、热效应小、激光介质无毒、和结构简单等。DPAL的激光输出的线宽通常比较窄，波长也位于常规光电探测器的相应波段内(铯(Cs)：894.95 nm；铷(Rb)：794.98nm；钾(K)：770.11nm)，有利于远距离传输与通讯。因此，半导体激光器泵浦碱金属蒸气激光器的研究越来越受到各国的重视，并得到了迅速的发展，逐渐成为21世纪以来发展最为快速的新型激光器之一。
半导体激光泵浦碱金属蒸气激光器是一种气体激光器，其增益介质在工作状态下为气态的碱金属原子。增益介质经半导体激光泵浦后，处于基态n 2S1/2的碱金属原子的电子受激跃迁到第三能级n 2P3/2上，由于碱金属原子本身的原子吸收线宽很窄，需要在密闭蒸汽池中加入缓冲气体(如甲烷、乙烷和氦气等)，利用碰撞加宽效应增加原子吸收线宽。另外，蒸汽池内需要维持一定的碱金属蒸气浓度，以保证高功率激光的持续稳定输出。而上述两个要素都与碱金属蒸汽池的温度密切相关，因此精确的温度控制是DPAL稳定高效输出的重要因素之一。
通常，半导体激光抽运碱金属蒸气激光器的增益介质放置于一个密闭蒸汽池内，池内同时充入适量的缓冲气体。温度控制普遍采用加热器件结合温度反馈的方法。其中加热器件对蒸汽池进行加热，温度反馈利用探测器实时监控蒸汽池表面的温度，当温度到达预定工作温度时，加热器件便停止加热。此种温控模式存在一定的问题：当激光器工作时，蒸汽池内部会产生热量，并导致池内温度升高，由于气态介质的热传导率较低，蒸汽池中心温度和池壁表面监测温度会存在一定的差别，尤其在大功率泵浦时，由于池内产生大量热量难以排出，蒸汽池中心温度会变得很高，这将严重影响激光器的输出效率和稳定性。因此，有必要设计一种兼有加热、散热的碱金属密闭蒸汽池，来解决大功率DPAL工作时密闭蒸汽池中心温度过高的问题，以保证其连续稳定的激光输出。
发明内容
(一)发明目的
本发明的目的是：提供一种高冷却效率栅状大功率碱金属激光器用密闭蒸汽池系统，缓解大功率DPAL工作时，因气态介质热传导差而导致的碱金属蒸汽池中心温度过高的问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一种高冷却效率栅状大功率碱金属激光器用密闭蒸汽池系统，其包括：栅状密闭蒸汽池1和温控加热器2，所述栅状密闭蒸汽池1为栅状，其包括多个内腔相连通的栅片，相连通的内腔内充有缓冲气体以及碱金属介质；温控加热器2 设置在栅状密闭蒸汽池1外部，温控加热器2为栅状，其导热片与栅状密闭蒸汽池1的表面相贴合。
其中，所述栅状密闭蒸汽池1采用玻璃材质。
其中，所述温控加热器2采用铜质的热导头。
其中，还包括：温度探测器3，放入铜质的热导头内，以监测栅状密闭蒸汽池1的温度。
其中，还包括：风冷装置4，布置在栅状密闭蒸汽池1侧部，用于从侧面对栅状密闭蒸汽池1进行散热，排出栅状密闭蒸汽池1内多余的热量。
其中，所述栅状密闭蒸汽池1内充入的缓冲气体为氦气、甲烷、乙烷、丙烷或上述气体的混合气体。
其中，所述栅状密闭蒸汽池1的栅状结构的内侧面和外端面镀高反膜。
其中，所述温控加热器2连接控制电路，通过控制电路控制温控加热器2对栅状密闭蒸汽池1的加热温度。
(三)有益效果
上述技术方案所提供的高冷却效率栅状大功率碱金属激光器用密闭蒸汽池系统，利用栅状结构增大了端面与空气的接触面积，可以有效的将多余热量传递到空气中；另外由于栅状空隙的存在，亦可以采用风冷装置对其进行散热，进一步加大了散热效率。
附图说明
图1是栅状碱金属密闭蒸汽池示意图。
图2是栅状碱金属密闭蒸汽池装配及工作示意图。
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。
为了解决大功率DPAL中碱金属蒸汽池加热与散热的问题，本实施例提供的高冷却效率栅状大功率碱金属激光器用密闭蒸汽池系统如图2所示，其包括栅状密闭蒸汽池1、温控加热器2和温度探测器 3。
图1所示的是本发明的核心部件—栅状密闭蒸汽池1，其为栅状，包括多个内腔相连通的栅片；栅状密闭蒸汽池1内充入了缓冲气体以及足量的碱金属介质。DPAL工作时，首先需对栅状密闭蒸汽池1进行加热，使得非气态的碱金属介质升华为蒸气，以保证足够的碱金属蒸气浓度。
栅状密闭蒸汽池1外部设置温控加热器2，温控加热器2为栅状，其导热片与栅状密闭蒸汽池1的表面相贴合。在此蒸汽池结构上，采用玻璃作为栅状密闭蒸汽池1的材料。温控加热器2采用铜质的热导头，铜质的热导头内放入温度探测器3以监测栅状密闭蒸汽池1的温度。
栅状的温控加热器2将栅状密闭蒸汽池1加热到指定温度，以得到合适的碱金属蒸气的浓度。温度探测器3实时监测栅状密闭蒸汽池1 的温度，当DPAL以大功率运行时，其输出特性(输出功率、光束质量等)因栅状密闭蒸汽池1内温度急剧升高而开始变差时，用风冷装置4从侧面对栅状密闭蒸汽池1进行散热，迅速排出栅状密闭蒸汽池1 内多余的热量，使得池内温度恢复到正常工作值，以确保DPAL在大功率条件下可以稳定运行。
栅状密闭蒸汽池1内充入的缓冲气体为氦气、甲烷、乙烷、丙烷等气体或为上述气体的混合气体。
栅状密闭蒸汽池1的栅状结构的内侧面和外端面镀高反膜。
温控加热器2连接控制电路，通过控制电路控制温控加热器2对栅状密闭蒸汽池1的加热温度。
由以上技术方案可以看出，本发明具有以下显著特点：
1、栅状碱金属密闭蒸汽池：密闭蒸汽池的栅状结构可以增大腔体与空气的接触面积，亦可以通过风冷装置带走热量，以加快大功率碱金属激光器工作时的散热速率。
2、温度控制系统：为配合栅状碱金属密闭蒸汽池，温控加热器亦具有栅状的结构。当蒸汽池温度过高时，可以通过风冷的方式，快速带走多余的热量。
在大功率DPAL工作时，本发明一方面可以实现对碱金属密闭蒸汽池进行加热，另一方面可以在蒸汽池温度过高时加快其散热速度，减小热效应对激光器的负面影响；温控加热器可以将蒸汽池温度控制在相对稳定的数值，以保证大功率DPAL的连续稳定工作。
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 (8)

1.一种高冷却效率栅状大功率碱金属激光器用密闭蒸汽池系统，其特征在于，包括：栅状密闭蒸汽池(1)和温控加热器(2)，所述栅状密闭蒸汽池(1)为栅状，其包括多个内腔相连通的栅片，相连通的内腔内充有缓冲气体以及碱金属介质；温控加热器(2)设置在栅状密闭蒸汽池(1)外部，温控加热器(2)为栅状，其导热片与栅状密闭蒸汽池(1)的表面相贴合。
2.如权利要求1所述的高冷却效率栅状大功率碱金属激光器用密闭蒸汽池系统，其特征在于，所述栅状密闭蒸汽池(1)采用玻璃材质。
3.如权利要求1所述的高冷却效率栅状大功率碱金属激光器用密闭蒸汽池系统，其特征在于，所述温控加热器(2)采用铜质的热导头。
4.如权利要求3所述的高冷却效率栅状大功率碱金属激光器用密闭蒸汽池系统，其特征在于，还包括：温度探测器(3)，放入铜质的热导头内，以监测栅状密闭蒸汽池(1)的温度。
5.如权利要求1所述的高冷却效率栅状大功率碱金属激光器用密闭蒸汽池系统，其特征在于，还包括：风冷装置(4)，布置在栅状密闭蒸汽池(1)侧部，用于从侧面对栅状密闭蒸汽池(1)进行散热，排出栅状密闭蒸汽池(1)内多余的热量。
6.如权利要求1所述的高冷却效率栅状大功率碱金属激光器用密闭蒸汽池系统，其特征在于，所述栅状密闭蒸汽池(1)内充入的缓冲气体为氦气、甲烷、乙烷、丙烷或上述气体的混合气体。
7.如权利要求1所述的高冷却效率栅状大功率碱金属激光器用密闭蒸汽池系统，其特征在于，所述栅状密闭蒸汽池(1)的栅状结构的内侧面和外端面镀高反膜。
8.如权利要求1所述的高冷却效率栅状大功率碱金属激光器用密闭蒸汽池系统，其特征在于，所述温控加热器(2)连接控制电路，通过控制电路控制温控加热器(2)对栅状密闭蒸汽池(1)的加热温度。
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