CN111525390A - 一种气相增益纳米颗粒的生成装置及激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气相增益纳米颗粒的生成装置及激光器，生成装置包括燃烧室以及燃料供应系统、氧化气体供应系统、点火器和拉瓦尔喷管。激光器包括光学工作段、扩压器以及生成装置。提供的生成装置在燃烧室内燃烧产生较大浓度的纳米颗粒，在泵浦光照射时辐射信号增强，有利于激光器的出光；经拉瓦尔喷管加速后能够使生成的纳米颗粒在线温度降至燃烧火焰的温度之下，稀土离子的能级结构更利于被激发。提供的激光器在燃烧室内生成并排至气体工作室的气相增益纳米颗粒被泵浦激光器激发至高能态，产生的受激辐射在经过全反镜和输出耦合镜反射后在介质中不断被放大，形成激光并输出，气体工作室中的废热随着气流一起排出，实现快速散热。

Description

一种气相增益纳米颗粒的生成装置及激光器

技术领域

本发明涉及激光技术领域，具体是一种气相增益纳米颗粒的生成装置及激光器。气相增益纳米颗粒为裹挟在气流中的纳米颗粒束流。

背景技术

公告号为CN102570283B的发明专利介绍了一种激光泵浦的流动纳米颗粒稀土离子激光器，包括泵浦激光器、气体工作室和谐振腔。气体工作室中的增益介质为包含有稀土离子的纳米颗粒。利用气体裹挟着稀土离子的纳米颗粒在谐振腔中流动将废热带走，同时纳米尺度的稀土离子不会带来较大的损耗。

该激光器的研制有赖于气相增益纳米颗粒的制备，常用的纳米颗粒制备方法有固相研磨法、液相水热反应法和火焰气相沉积法。其中，固相研磨法通过球磨机将反应物进行强烈研磨和搅拌产生纳米颗粒，其生成的纳米颗粒产量较高，但颗粒粒径分布不均匀，且纳米颗粒主要为粉末状，较难均匀扩散到气流中，无法被泵浦光激发产生激光。液相水热反应法所制备的颗粒以氧化物为主，颗粒尺寸相对较大，且生成的纳米颗粒主要沉积在反应釜中，也较难被泵浦光激发产生激光。火焰气相沉积法是在气相火焰中形成气相增益纳米颗粒的一种工业方法，其产品纯度高，球形度高，粒径可控，为当前纳米颗粒的主要制备方法之一。然而火焰气相沉积法制备的纳米颗粒在开放的环境下获得，生成的纳米颗粒向各个方向扩散，也无法用于稀土离子激光器。

而且使用火焰气相沉积法生成的气相增益纳米颗粒在线温度较高，使得稀土离子的能级结构发生变化，不利于泵浦光激发至高能态；同时当前火焰气相沉积法燃烧是在大气压环境下进行，生成的纳米颗粒的浓度较低，不利于激光的产生；因此，有必要设计一种新型的气相增益纳米颗粒的生成装置及激光器。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种气相增益纳米颗粒的生成装置及激光器，能够有效提高纳米颗粒的浓度，同时能够极大降低生成的纳米颗粒的在线温度。

为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：一种气相增益纳米颗粒的生成装置，包括燃烧室以及分别与所述燃烧室连接的燃料供应系统、氧化气体供应系统、点火器和拉瓦尔喷管，其中，

所述燃料供应系统设置在所述燃烧室外，用于存储溶解有稀土离子和液态燃料的前驱液并向所述燃烧室喷注雾化后的前驱液；

所述氧化气体供应系统设置在所述燃烧室外，用于存储氧化气体并向所述燃烧室均匀喷注氧化气体；

所述点火器设置在所述燃烧室的头部或侧边，用于点燃所述燃烧室内雾化的前驱液和氧化气体的混合物；

所述燃烧室用于为所述混合物提供燃烧的场所，燃烧后生成裹挟着气相增益纳米颗粒的气流；

所述拉瓦尔喷管设置在所述燃烧室的出口处，用于加速燃烧室排出的所述气流。

进一步的，所述生成装置还包括包覆于所述燃烧室和拉瓦尔喷管的外壁的冷却系统以及用于连通所述燃料供应系统与所述燃烧室的燃料喷注器、用于连通所述氧化气体供应系统与所述燃烧室的氧化气体喷注器；所述燃料喷注器用于将所述前驱液雾化并喷注到燃烧室中，所述氧化气体喷注器用于将氧化气体均匀地喷注到燃烧室中。

进一步的，所述生成装置还包括设置在所述燃烧室侧壁的包覆掺杂装置，所述包覆掺杂装置包括相互连接的包覆掺杂气体供应系统和包覆掺杂喷注器，所述包覆掺杂气体供应系统用于存储包覆掺杂气体并向所述燃烧室喷注包覆掺杂气体，所述包覆掺杂喷注器用于将包覆掺杂气体均匀地喷注到燃烧室中。

进一步的，所述燃料供应系统包括高压气源以及通过燃料管路依次连接的燃料压力调节器、燃料贮箱、燃料流量调节器和燃料阀门，其中，

所述燃料贮箱内存储有前驱液，所述高压气源为存储有不与所述前驱液发生反应气体的气体源，如氦气或氩气等，所述燃料阀门连接到燃料喷注器。

进一步的，所述氧化气体供应系统包括氧化气体源以及通过氧化气体管路依次连接的氧化气体压力调节器、氧化气体流量调节器和氧化气体阀门，其中，

所述氧化气体源为存储有所需氧化气体的气体源，所述氧化气体阀门连接到氧化气体喷注器。氧化气体为空气或氧气及其他能够与前驱液中的燃料燃烧的气体。

进一步的，所述拉瓦尔喷管为入口端收缩出口端扩张的连续过渡的流通管路。

本发明还提供一种气相增益纳米颗粒的生成激光器，包括光学工作段、扩压器以及如前文所述气相增益纳米颗粒的生成装置，所述光学工作段一端连接拉瓦尔喷管、另一端连接扩压器；

所述光学工作段包括连接于所述拉瓦尔喷管和扩压器之间的气体工作室、谐振腔以及泵浦激光器，所述谐振腔包括分别设置在所述气体工作室两侧的输出耦合镜和全反镜；所述泵浦激光器用于向所述气体工作室内腔发射泵浦光；

所述扩压器另一端设置有扩压器出口并通过所述扩压器出口连接至大气环境或真空球罐，所述激光器在工作时燃烧室中的压力与扩压器出口处的压力形成持续压差。

在其中一个实施例中，所述泵浦激光器固定安装在所述气体工作室上方或下方。

在其中一个实施例中，所述泵浦激光器固定安装在所述全反镜远离所述气体工作室一侧。

进一步的，所述气体工作室上开设有能够导入泵浦光的窗口，燃烧室排至气体工作室内裹挟着气相增益纳米颗粒的气流经所述泵浦光激发至高能态，产生的受激辐射在所述全反镜和输出耦合镜反射后不断被放大形成激光，所述激光向输出激光方向输出。

与现有技术相比，本发明的有益之处是：

一、本发明提供的气相增益纳米颗粒的生成装置通过燃料供应系统提供溶解有稀土离子和液态燃料的前驱液，同时通过氧化气体供应系统提供氧化气体，经混合和点燃后在燃烧室内充分燃烧后生成裹挟着气相增益纳米颗粒的气流，由拉瓦尔喷管加速后排出气相增益纳米颗粒；一方面在室压较高的燃烧室内燃烧产生较大浓度的纳米颗粒，在泵浦光照射时辐射信号增强，有利于激光器的出光；另一方面，燃烧后的高温气体，经拉瓦尔喷管加速到超声速后能够使生成的纳米颗粒在线温度降至燃烧火焰的温度之下，随着纳米颗粒在线温度降低，稀土离子的能级结构更利于被激发。

二、本发明提供的激光器由泵浦激光器向气体工作室发射泵浦光，在生成装置的燃烧室内燃烧生成并排至气体工作室的裹挟着气相增益纳米颗粒的气流被泵浦激光器激发至高能态，产生的受激辐射在经过全反镜和输出耦合镜反射后在介质中不断被放大，形成激光并输出，气体工作室中的废热随着气体一起排出至大气或真空罐中，实现快速散热，特别适用于高能激光器。此外，该激光器的扩压器出口为大气压时，无需传统高能化学激光器的复杂废气排出系统，方便泵浦过激光的废气排放。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

下面结合附图对本发明进一步说明：

图1是本发明所述气相增益纳米颗粒的生成装置的结构示意图；

图2是本发明所述燃料供应系统的结构示意图；

图3是本发明所述氧化气体供应系统的结构示意图；

图4是本发明所述气相增益纳米颗粒的生成激光器的结构示意图；

图5是本发明实施例二中光学工作段的布局图；

图6是本发明实施例三中光学工作段的布局图；

1、燃料供应系统；2、燃料喷注器；3、氧化气体供应系统；4、氧化气体喷注器；5、点火器；6、燃烧室；7、拉瓦尔喷管；8、冷却系统；9、光学工作段；10、扩压器；11、扩压器出口；12、包覆掺杂装置；13、包覆掺杂气体供应系统；14、包覆掺杂喷注器；1-1、高压气源；1-2、燃料压力调节器；1-3、燃料贮箱；1-4、前驱液；1-5、燃料流量调节器；1-6、燃料阀门；1-7、燃料管路；3-1、氧化气体源；3-2、氧化气体压力调节器；3-3、氧化气体流量调节器；3-4、氧化气体阀门；3-5、氧化气体管路；9-1、泵浦激光器；9-2、泵浦光；9-3、输出耦合镜；9-4、全反镜；9-5、激光；9-6、气相增益纳米颗粒流动方向；9-7、输出激光方向；9-8、气体工作室。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

实施例一

如附图1所示的一种气相增益纳米颗粒的生成装置，具体包括燃料供应系统1、燃料喷注器2、氧化气体供应系统3、氧化气体喷注器4、点火器5、燃烧室6、拉瓦尔喷管7、冷却系统8以及包覆掺杂装置12；其中燃料供应系统1与燃料喷注器2配合并连接到燃烧室6的头部，氧化气体供应系统3与氧化气体喷注器4配合并连接到燃烧室6的头部，点火器5设置在所述燃烧室6的头部或靠近头部的侧边，拉瓦尔喷管7设置在燃烧室6的出口处且二者一体成型；所述冷却系统8同时包覆于所述燃烧室6和拉瓦尔喷管7的外壁；包覆掺杂装置12设置在所述燃烧室6的侧壁；本实施例能够有效提高纳米颗粒的浓度，同时能够极大降低生成的纳米颗粒的在线温度。

在其中一个实施例中，所述拉瓦尔喷管7为入口端收缩出口端扩张的连续过渡的流通管路，拉瓦尔喷管7型线使用特征线方法设计得到。

在其中一个实施例中，所述燃料供应系统1设置在所述燃烧室6外，用于存储溶解有稀土离子和液态燃料的前驱液1-4并向所述燃烧室6喷注特定压力和流量且雾化后的前驱液1-4，其中稀土离子包含但不限于Nd³⁺、Yb²⁺，液态燃料中包含但不限于乙醇、甲醇等，前驱液中的稀土离子在燃烧之后会变成纳米级颗粒裹挟在燃气中，该纳米级颗粒能够被泵浦光激发故称之为气相增益纳米颗粒。

更具体的，如图2所示，所述燃料供应系统1具体包括高压气源1-1以及通过燃料管路1-7依次连接的燃料压力调节器1-2、燃料贮箱1-3、燃料流量调节器1-5和燃料阀门1-6，其中，所述燃料贮箱1-3内存储有前驱液1-4，所述高压气源1-1为存储有不与所述前驱液1-4发生反应气体的气体源，可以是装有氦气或氩气的气瓶或气瓶组，能够源源不断地供应所需要的气体，所述燃料阀门1-6连接到燃料喷注器2。高压气源1-1提供高压气体通过挤压的方式将前驱液1-4供应至燃烧室6中，通过燃料压力调节器1-2调节高压气源1-1产生的气体压力后从燃料贮箱1-3的上部进入到燃料贮箱1-3内，燃料贮箱1-3设置有前驱液1-4的加注口，使用时打开加注口加注前驱液1-4，加注完成后关闭加注口，前驱液1-4在重力作用下，聚集在燃料贮箱1-3的底部，被燃料贮箱1-3上部进入的气体挤压从燃料贮箱1-3下部的前驱液出口流出，燃料流量调节器1-5控制前驱液的流量到设定值，可以为孔板或文氏管，燃料阀门1-6控制管路的开启和关闭，可以以手动的方式或远程遥控的方式开启或关闭管路，所述燃料阀门1-6开启后，前驱液1-4以特定的压力和流量供应到燃料喷注器2中；气相增益纳米颗粒的质量与燃料喷注器喷嘴的雾化好坏及雾化后的前驱液与氧化气体的混合燃烧效率直接相关。

更具体的，所述氧化气体供应系统3与所述燃料供应系统1并排设置，用于存储氧化气体并向所述燃烧室6均匀喷注特定压力和流量的氧化气体；如图3所示，所述氧化气体供应系统3具体包括氧化气体源3-1以及通过氧化气体管路3-5依次连接的氧化气体压力调节器3-2、氧化气体流量调节器3-3和氧化气体阀门3-4，其中，所述氧化气体源3-1为存储有所需氧化气体的气体源，可以是装有空气或氧气的气瓶或气瓶组，能够源源不断地供应所需要的气体；氧化气体压力调节器3-2调节氧化气体源3-1供应的氧化气体的压力，氧化气体阀门3-4控制管路的开启和关闭，可以以手动的方式或远程遥控的方式开启或关闭管路，氧化气体流量调节器3-3调节氧化气体的流量，所述氧化气体阀门3-4连接到氧化气体喷注器4；所述氧化气体阀门3-4开启后，氧化气体源源不断地以特定的压力和流量供应到氧化气体喷注器4当中。

在其中一个实施例中，所述点火器5用于点燃所述燃烧室6内前驱液1-4和氧化气体的混合物，可以是火花塞或火炬，进一步优选为火花塞；所述燃烧室6用于提供前驱液1-4和氧化气体混合后燃烧的场所，选用较高强度和刚度的腔体，该腔体能够耐受一定的高温及承受一定的高压，混合物在所述燃烧室6内燃烧后生成裹挟着气相增益纳米颗粒的气流；所述拉瓦尔喷管7设置在所述燃烧室6的出口处，用于加速所述燃烧室6排出的气相增益纳米颗粒；冷却系统8起到冷却整个生成装置的作用，保护生成装置的各个组成部件在工作时特定时间内不被烧坏，可以是被动热沉式或再生冷却式；所述燃料喷注器2用于将所述前驱液1-4雾化并喷注到燃烧室6中，所述氧化气体喷注器4用于将氧化气体均匀地喷注到燃烧室6中；燃料喷注器2选用雾化效果较好的喷嘴，如针栓喷嘴，氧化气体喷注器4为孔或环缝；拉瓦尔喷管7的马赫数固定，具体马赫数值由燃烧室6产生的气相增益纳米颗粒的在线温度确定。

作为优选，所述包覆掺杂装置12设置在所述燃烧室6侧壁点火器5之后一定距离，其包括相互连接的包覆掺杂气体供应系统13和包覆掺杂喷注器14，所述包覆掺杂气体供应系统13用于存储包覆掺杂气体并以特定的温度和压力及流量向所述燃烧室6喷注包覆掺杂气体，所述包覆掺杂喷注器14用于将包覆掺杂气体均匀地喷注到燃烧室6中，具体为沿燃烧室6周向一圈的小孔或深入燃烧室6内腔一定距离的直管喷孔；包覆掺杂气体进入燃烧室6后，与前驱液1-4、氧化气体的燃烧产物混合并相互作用，形成包覆掺杂后的气相增益纳米颗粒。包覆掺杂气体为裹挟有包覆掺杂介质的气流，包覆掺杂介质为SiO₂或镧系元素如Ce、Eu、La等。包覆掺杂装置12的应用能够使得气相增益纳米颗粒具有更好的荧光特性和晶型结构，更易被泵浦光激发产生激光。

本实施例提供的生成装置一方面在室压较高的燃烧室内燃烧产生较大浓度的纳米颗粒，在泵浦光照射时辐射信号增强，有利于激光器的出光；另一方面，燃烧后的高温气体，经拉瓦尔喷管加速到超声速后能够使生成的纳米颗粒在线温度降至燃烧火焰的温度之下，随着纳米颗粒在线温度降低，稀土离子的能级结构更利于被激发。

本实施例所述生成装置的具体使用过程是：

当不需要包覆掺杂时，首先调节燃料压力调节器1-2、燃料流量调节器1-5及氧化气体压力调节器3-2、氧化气体流量调节器3-3到所需要的压力和流量值，然后依次打开氧化气体阀门3-4及燃料阀门1-6，燃料供应系统1将特定压力和流量的前驱液1-4供应到燃料喷注器2中，经过燃料喷注器2的雾化，以小液滴的形式将前驱液喷注到燃烧室6中；与此同时，氧化气体供应系统3将特定压力和流量的氧化气体供应到氧化气体喷注器4中，经过氧化气体喷注器4之后到达燃烧室6中；在燃烧室6中，雾化之后的前驱液1-4与氧化气体进行充分混合，经点火器5点燃后在燃烧室6内持续燃烧，点火器5点燃混合气体后关闭；溶解在前驱液1-4中的稀土元素经燃烧后变成气相增益纳米颗粒随着高温燃气进入燃烧室6后的拉瓦尔喷管7中，经拉瓦尔喷管7加速，最终以特定马赫数经拉瓦尔喷管7中流出来，生成所需要的裹挟气相增益纳米颗粒的气流，气相增益纳米颗粒处于气流中随气流一起流动。

当需要包覆掺杂时，首先调节燃料压力调节器1-2、燃料流量调节器1-5及氧化气体压力调节器3-2、氧化气体流量调节器3-3到所需要的压力和流量值，然后依次打开氧化气体阀门3-4及燃料阀门1-6，燃料供应系统1将特定压力和流量的前驱液1-4供应到燃料喷注器2中，经过燃料喷注器2的雾化，以小液滴的形式将前驱液喷注到燃烧室6中；与此同时，氧化气体供应系统3将特定压力和流量的氧化气体供应到氧化气体喷注器4中，经过氧化气体喷注器4之后到达燃烧室6中；在燃烧室6中，雾化之后的前驱液1-4与氧化气体进行充分混合，经点火器5点燃后在燃烧室6内持续燃烧，点火器5点燃混合气体后关闭；待燃烧室6中稳定燃烧后，打开包覆掺杂气体供应系统13，包覆掺杂气体通过包覆掺杂喷注器14喷注到燃烧室6中，包覆掺杂气体与燃烧室6中的高温燃气相互混合作用，使得燃烧室6中燃烧后变成包覆掺杂后的气相增益纳米颗粒，随着高温燃气进入燃烧室6后的拉瓦尔喷管7中，经拉瓦尔喷管7加速，最终以特定马赫数经拉瓦尔喷管7中流出来，生成所需要的裹挟包覆掺杂后的气相增益纳米颗粒的气流，包覆掺杂后的气相增益纳米颗粒处于气流中随气流一起流动。

由于燃烧室6内的燃烧温度较高，燃烧室6外壁面和拉瓦尔喷管7外壁面设置的冷却系统8完成对整个生成装置进行冷却保护。

实施例二

本发明在实施例一的基础上还提供一种气相增益纳米颗粒的生成激光器，如附图4所示，包括泵浦激光器9-1、光学工作段9、扩压器10、扩压器出口11以及如实施例一所述气相增益纳米颗粒的生成装置，所述光学工作段9一端连接拉瓦尔喷管7、另一端连接扩压器10。

更具体的，所述光学工作段9包括气体工作室9-8、设置在所述气体工作室9-8侧边的谐振腔以及泵浦激光器9-1；所述谐振腔包括分别设置在所述气体工作室9-8两侧的输出耦合镜9-3和全反镜9-4；所述泵浦激光器用于向气体工作室9-8中发射泵浦激光9-2；所述扩压器10通过所述扩压器出口11连接至大气环境或真空球罐，所述激光器在工作时燃烧室6中的压力与扩压器出口11处的压力形成持续压差，利用该压差通过拉瓦尔喷管7将燃烧室6内生成的裹挟着气相增益纳米颗粒的气流加速到超声速，在超声速时，纳米颗粒的静温较低，达到纳米颗粒在线温度直接降低的目的。

在其中一个实施例中，如图5所示，所述泵浦激光器9-1设置在所述气体工作室9-8的上方，泵浦激光器9-1可以针对不同的稀土离子能级选取适合波长的激光器，可以选择半导体激光器或光纤激光器；所述气体工作室9-8上开设有能够导入泵浦光9-2的窗口，该窗口端面及输出耦合镜端面必须对对应的工作波长高透，其尺寸结构和所用材料可以根据不同使用情况进行选择和设计；燃烧室6排至气体工作室9-8内裹挟着气相增益纳米颗粒的气流经所述泵浦光9-2激发至高能态，产生的受激辐射在所述全反镜9-4和输出耦合镜9-3反射后不断被放大形成激光9-5，所述激光9-5向输出激光方向9-7输出。

作为优选，所述输出耦合镜9-3的几何中心和所述全反镜9-4的几何中心重合，所述全反镜9-4对泵浦光9-2具有高透射率，对激光9-5具有高反射性，所述输出耦合镜9-3对泵浦光9-2全反射，对激光9-5具有一定的透射率，该透射率根据系统参数合理选取。

如下理论分析所述生成装置产生的气相增益纳米颗粒的浓度和温度：

假设前驱液1-4的流量为

前驱液1-4中稀土离子的质量分数为f，稀土离子的摩尔质量为M_Ln，则可以计算得到流过喷管出口截面的稀土离子的数速率为

其中N_A为阿伏伽德罗常数，

的单位1/s。

假设燃烧室6中氧化气体与前驱液1-4的混合比为f_combustion，则燃烧室任意截面的气体质量流量为

燃烧后前驱液和氧化气体变成成分均匀的气流，即包含气相增益纳米颗粒的高温高压气流，假设喷管出口截面的气体的流通面积为A，气体的流速为V，气体的密度为ρ，则可以计算单位时间，流过喷管出口截面的稀土离子的浓度为：

其中F_Ln的单位为1/m³。

假设燃烧室的燃烧总温为T₀，燃烧总压为P₀，假设超声速喷管的马赫数为M，则可以计算得到喷管出口截面气流的温度和压力为：

其中，γ为气体的比热比；由温度表达式可知，随着气流加速的马赫数越大，气流的温度越低，达到降低气相增益纳米颗粒温度的目的，利于泵浦光将纳米颗粒激发至高能态。

喷管出口截面的气体的密度ρ＝ρ(T,P)，其为温度和压力的函数，假设该气体服从理想气体状态方程，可以计算得到喷管出口截面的气体密度为：

将喷管出口截面的密度公式带入稀土离子的浓度公式中，可以得到如下的结果：

由上式可知，燃烧产生的气相增益纳米颗粒的浓度与燃烧室6压力直接相关，当燃烧室6内的压力较高时，所得到的气相增益纳米颗粒的浓度越大。由于本生成装置的燃烧室压较高，故能够达到提高纳米颗粒浓度的目的；采用本实施例生成装置产生的纳米颗粒的浓度随燃烧室压力增大而增大，纳米颗粒的温度可以降到燃烧火焰的温度之下，产生的纳米颗粒易被特定泵浦光激发至高能态而生成激光。

本实施例所述激光器的具体使用过程是：

首先实施例一所述的生成装置开始工作，在气体工作室9-8中产生并向气相增益纳米颗粒流动方向9-6流动的气相增益纳米颗粒的气流，泵浦激光器9-1打开，发射的泵浦光9-2进入到气体工作室9-8中，使得气相增益纳米颗粒被激发到高能态，其产生的受激辐射在经过全反镜9-4和输出耦合镜9-3反射后在介质中不断被放大，形成激光9-5，并最终从输出激光方向9-7输出，气体工作室9-8中的废热随着气体一起排出大气或真空罐。

实施例三

本发明在实施例一的基础上还提供另一种气相增益纳米颗粒的生成激光器，包括泵浦激光器9-1、光学工作段9、扩压器10、扩压器出口11以及如实施例一所述气相增益纳米颗粒的生成装置，所述光学工作段9一端连接拉瓦尔喷管7、另一端连接扩压器10。

与实施例二的区别在于，如图6所示，所述泵浦激光器9-1设置在所述全反镜9-4远离所述气体工作室9-8一侧，同样用于向气体工作室9-8内发射泵浦光9-2，可以根据实际需要选择泵浦激光器9-1的安装位置，适用广泛，具体使用过程和原理与实施例二相同。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种气相增益纳米颗粒的生成装置，其特征在于，包括燃烧室(6)以及分别与所述燃烧室(6)连接的燃料供应系统(1)、氧化气体供应系统(3)、点火器(5)和拉瓦尔喷管(7)，其中，

所述燃料供应系统(1)设置在所述燃烧室(6)外，用于存储溶解有稀土离子和液态燃料的前驱液(1-4)并向所述燃烧室(6)喷注雾化后的前驱液(1-4)；

所述氧化气体供应系统(3)设置在所述燃烧室(6)外，用于存储氧化气体并向所述燃烧室(6)均匀喷注氧化气体；

所述点火器(5)设置在所述燃烧室(6)的头部或侧边，用于点燃所述燃烧室(6)内雾化的前驱液(1-4)和氧化气体的混合物；

所述燃烧室(6)用于为所述混合物提供燃烧的场所，燃烧后生成裹挟着气相增益纳米颗粒的气流；

所述拉瓦尔喷管(7)设置在所述燃烧室(6)的出口处，用于加速燃烧室(6)排出的所述气流。

2.根据权利要求1所述的一种气相增益纳米颗粒的生成装置，其特征在于，还包括包覆于所述燃烧室(6)和拉瓦尔喷管(7)外壁的冷却系统(8)以及用于连通所述燃料供应系统(1)与所述燃烧室(6)的燃料喷注器(2)、用于连通所述氧化气体供应系统(3)与所述燃烧室(6)的氧化气体喷注器(4)；所述燃料喷注器(2)用于将所述前驱液(1-4)雾化并喷注到燃烧室(6)中，所述氧化气体喷注器(4)用于将氧化气体均匀地喷注到燃烧室(6)中。

3.根据权利要求2所述的一种气相增益纳米颗粒的生成装置，其特征在于，还包括设置在所述燃烧室(6)侧壁的包覆掺杂装置(12)，所述包覆掺杂装置(12)包括相互连接的包覆掺杂气体供应系统(13)和包覆掺杂喷注器(14)，所述包覆掺杂气体供应系统(13)用于存储包覆掺杂气体并向所述燃烧室(6)喷注包覆掺杂气体，所述包覆掺杂喷注器(14)用于将包覆掺杂气体均匀地喷注到燃烧室(6)中。

4.根据权利要求1所述的一种气相增益纳米颗粒的生成装置，其特征在于，所述燃料供应系统(1)包括高压气源(1-1)以及通过燃料管路(1-7)依次连接的燃料压力调节器(1-2)、燃料贮箱(1-3)、燃料流量调节器(1-5)和燃料阀门(1-6)；其中，

所述燃料贮箱(1-3)用于存储前驱液(1-4)，所述高压气源(1-1)为存储有不与所述前驱液(1-4)发生反应气体的气体源，所述燃料阀门(1-6)连接到燃料喷注器(2)。

5.根据权利要求1所述的一种气相增益纳米颗粒的生成装置，其特征在于，所述氧化气体供应系统(3)包括氧化气体源(3-1)以及通过氧化气体管路(3-5)依次连接的氧化气体压力调节器(3-2)、氧化气体流量调节器(3-3)和氧化气体阀门(3-4)；其中，

所述氧化气体源(3-1)为存储有所述氧化气体的气体源，所述氧化气体阀门(3-4)连接到氧化气体喷注器(4)。

6.根据权利要求1所述的一种气相增益纳米颗粒的生成装置，其特征在于，所述拉瓦尔喷管(7)为入口端收缩出口端扩张的流通管路。

7.一种气相增益纳米颗粒的生成激光器，其特征在于，包括光学工作段(9)、扩压器(10)以及如权利要求1至6任一项所述气相增益纳米颗粒的生成装置，所述光学工作段(9)一端连接拉瓦尔喷管(7)、另一端连接扩压器(10)；

所述光学工作段(9)包括连接于所述拉瓦尔喷管(7)和扩压器(10)之间的气体工作室(9-8)、谐振腔以及泵浦激光器(9-1)；所述谐振腔包括分别设置在所述气体工作室(9-8)两侧的输出耦合镜(9-3)和全反镜(9-4)；所述泵浦激光器(9-1)用于向所述气体工作室(9-8)内腔发射泵浦光(9-2)；

所述扩压器(10)另一端设置有扩压器出口(11)并通过所述扩压器出口(11)连接至大气环境或真空球罐，所述激光器在工作时燃烧室(6)中的压力与扩压器出口(11)处的压力形成持续压差。

8.根据权利要求7所述的一种气相增益纳米颗粒的生成激光器，其特征在于，所述泵浦激光器(9-1)固定安装在所述气体工作室(9-8)上方或下方。

9.根据权利要求7所述的一种气相增益纳米颗粒的生成激光器，其特征在于，所述泵浦激光器(9-1)固定安装在所述全反镜(9-4)远离所述气体工作室(9-8)一侧。

10.根据权利要求8或9所述的一种气相增益纳米颗粒的生成激光器，其特征在于，所述气体工作室(9-8)靠近所述泵浦激光器(9-1)的一侧开设有能够导入泵浦光(9-2)的窗口。

Images