CN113851912B - 端面泵浦碱金属蒸气激光器用温控式蒸气池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种端面泵浦碱金属激光器用温控式蒸气池结构，包括：不锈钢碱金属蒸气池腔体，蒸气池腔体两端分别设置碱金属激光器用玻璃窗口，碱金属蒸气池用温控管布置在蒸气池腔体中轴位置，温控管采用水冷方式和加热丝加热方式对蒸气池腔体内激光器的工作区域进行温控，蒸气池腔体的侧壁处设置缓冲气体注入口、碱金属储存室，通过碱金属蒸气池用缓冲气体注入口向蒸气池腔体内注入缓冲气体或进行抽真空处理，通过碱金属储存室生成碱金属蒸气。本发明可以有效抑制蒸气池内的温度骤升所引起的光化学反应现象，可有效提高蒸气的利用率和激光器的输出性能，减少蒸气池的损坏几率。
Description
技术领域
本发明属于碱金属激光器技术领域，涉及一种端面泵浦碱金属蒸气激光器用温控式蒸气池。
背景技术
碱金属激光器是一种利用碱金属蒸气作为增益介质，窄线宽半导体激光器作为泵浦源的三能级激光器，也经常被称为半导体激光器泵浦的碱金属激光器(Diodepumpedalkali laser,DPAL)。因碱金属激光器具有斯托克斯效率较高、产热较小、光束质量较好、结构紧凑、激光介质无毒、蒸气池制作成本低廉、激光波长(铯(Cs)：894.95nm；铷(Rb)：794.98nm；钾(K)：770.11nm)处于大气窗口等一系列突出优点，被公认为是一种可与合束的光纤激光器相竞争的高能激光器方案，具有广泛的军事和民用应用前景。
目前在绝大部分静态碱金属激光器所采用的结构中，碱金属蒸气和缓冲气体(氦气、甲烷和乙烷等)主要以静止状态存在于蒸气池内部。由于气体的导热性远低于固体，使得通过在增益介质的表面设置像固态激光器一样的散热设备进行冷却变得异常困难。经理论模拟和实验操作发现，碱金属蒸气池内部的温度在其横截面内往往会呈现出中心高边缘低的梯度分布，且蒸气池内的烷烃类缓冲气体会在高温和泵浦激光共同作用下与碱金属原子发生光化学反应，会在ms级的短时间内几乎耗尽全部呈蒸气状态的碱金属原子，导致碱金属激光器的功率急速下降甚至振荡停止。
此外，在高功率激光泵浦时，碱金属激光器的蒸气池内所形成的高温会引起蒸气池内的碱金属蒸气浓度迅速升高，且主要表现为碱金属原子的第三能级(弛豫能级)的粒子数浓度偏高，这会直接导致蒸气池对泵浦光的吸收率降低，从而进一步使碱金属激光器的光—光效率降低。同时，高温也会导致蒸气池的端面变形，甚至损坏，由热产生的热效应现象也会影响碱金属激光器的输出特性。因此，将碱金属激光器产生的热量及时带走，可以阻止在蒸气池内形成局部高温所引发的光化学反应、碱金属消耗、热效应以及蒸气池损毁等现象，是目前高功率碱金属激光器急待解决的主要问题之一。
发明内容
(一)发明目的
本发明的目的是：针对目前高功率碱金属激光器所面临的技术瓶颈，提出一种新型的用于端面泵浦碱金属蒸气激光器的温控式蒸气池结构，旨在解决蒸气池内部因局部高温所导致的光化学反应、碱金属消耗、功率下降以及蒸气池损坏等问题。
(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激光器用温控式蒸气池结构，包括：密封用不锈钢法兰1、温控管用进水口2、不锈钢碱金属蒸气池腔体3、温控管用出水口4、碱金属激光器用玻璃窗口5、碱金属蒸气池用缓冲气体注入口6、碱金属蒸气池用温控管7和碱金属蒸气池用碱金属储存室8。
不锈钢碱金属蒸气池腔体3的腔体内壁做一定的光滑处理，以避免清洁沉积在蒸气池腔体上的碱金属颗粒时遇到麻烦。
其中，不锈钢法兰1、不锈钢蒸气池腔体3、位于蒸气池端面的两个玻璃窗口5以及蒸气池用碱金属储存室8共同组成密闭真空腔体。在蒸气池工作时，需要密封温控管用进水口2、温控管用出水口4以及碱金属蒸气池用缓冲气体注入口6，以防止蒸气池内外的物质发生交换。碱金属蒸气池用温控管7位于蒸气池内部对激光器的工作区域实施温控。
其中，碱金属激光器的泵浦光和激光从位于蒸气池两个端面的玻璃窗口5的中心区域沿着光轴入射和出射。
其中，温控管用进水口2和出水口4连接水冷设备，并在接口处做好密封，保证蒸气池内部的气密性。
其中，碱金属激光器用玻璃窗口5位于蒸气池密闭管腔两个端面，采用抗碱、抗腐蚀、耐高温的玻璃材料。为了避免碱金属蒸气沉积在玻璃窗口的通光区域内，在两个窗口的外表面安装圆环形加热器使窗口的温度(尤其是窗口通光区域的温度)略高于蒸气池侧壁。此外，为了提高泵浦光和激光的透过率，减少泵浦光和激光的传输损耗，两个碱金属激光器用玻璃窗口5与光轴成布儒斯特角安装或在其外表面镀增透膜。
其中，通过碱金属蒸气池用缓冲气体注入口6对蒸气池内部进行抽真空处理和缓冲气体的注入，缓冲气体包括但不限于氦气、甲烷、乙烷中的一种或几种的混合气体等。不进行抽真空处理和缓冲气体注入时，密闭缓冲气体注入口6，严防蒸气池内外的物质交流，以保证蒸气池内部的气密性。
其中，温控管7外表面分布有温度传感器，用于实时监测蒸气池内泵浦激光激励区域的工作温度；温控管7外表面分布有加热丝，当温度传感器监测到的温度值小于碱金属激光器的设置工作温度值时，启动加热丝工作，实施加热。此外，温控管7内部填充有冷却水，当温度传感器监测到的温度值高于碱金属激光器的设置工作温度值时，启动冷却水循环，实施降温，由此实现加热丝与管内冷却水一起控制蒸气池内部的工作温度。
其中，在碱金属储存室8内放置固态碱金属，一方面，可通过加热碱金属储存室的方式获得碱金属蒸气，作为碱金属激光器的增益介质，碱金属蒸气与缓冲气体共同分布于密闭管腔内；另一方面，也可通过形成碱金属蒸气池腔体与碱金属储存室的温度梯度，使过饱和的碱金属蒸气沉积在碱金属储存室，从而提高碱金属的循环利用率。
(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用温控式蒸气池，具有以下有益效果：
(1)两个玻璃窗口均可采用布儒斯特角安装，或在其外表面镀增透膜，能有效减少泵浦光和激光的传输损耗，提高泵浦光的光—光转化效率。
(2)通过温控管控制蒸气池内部的工作温度，能有效提高激光器的泵浦损伤阈值和激光器的输出功率，有利于激光器的精细化管理和参数优化。
(3)可以有效抑制蒸气池内部因局部高温导致的光化学反应、蒸气池损毁和激光功率下降乃至振荡停止等现象。
(4)采用了不锈钢—玻璃结构的蒸气池，可以很方便的更换窗口和缓冲气体，能有效提高蒸气池的重复利用率。
(5)采用的温控式蒸气池结构可以有效延长碱金属激光器的单次使用时间，增加蒸气池的有效寿命。
(6)采用的温控式蒸气池结构可以通过制造蒸气池腔体与碱金属储存室的温度梯度，使过饱和的碱金属蒸气沉积在储存室内，可有效促进碱金属的循环利用率。
附图说明
图1为端面泵浦碱金属激光器用温控式蒸气池的正等轴测图。
图2是端面泵浦碱金属激光器用温控式蒸气池的俯视图。
图3是端面泵浦碱金属激光器用温控式蒸气池的左视图。
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。
为了避免蒸气池内部因局部高温所导致的光化学反应、碱金属消耗、激光功率下降等现象，突破目前高功率碱金属激光器所面临的技术瓶颈，提出了一种用于端面泵浦碱金属蒸气激光器的温控式蒸气池结构。图1为与本发明实施例相关的端面泵浦碱金属激光器用温控式蒸气池的正等轴测图，图2为与本发明实施例相关的端面泵浦碱金属激光器用温控式蒸气池的俯视图，图3为与本发明实施例相关的端面泵浦碱金属激光器用温控式蒸气池的左视图。
本发明所涉及的用于端面泵浦碱金属蒸气激光器的温控式蒸气池结构如图1所示，包括：密封用不锈钢法兰1、温控管用进水口2、碱金属蒸气池腔体3、温控管用出水口4、碱金属激光器用玻璃窗口5、碱金属蒸气池用缓冲气体注入口6、碱金属蒸气池用温控管7和碱金属蒸气池用碱金属储存室8。
碱金属蒸气池腔体3采用不锈钢材质保证蒸气池的气密性，整体呈圆柱体形，温控管用进水口2、碱金属蒸气池腔体3、温控管用出水口4、碱金属储存室8均位于碱金属蒸气池腔体3侧壁上。
温控管7位于蒸气池的侧壁上，散热功能通过循环冷却水实现。所述温控管用进水口2和出水口处4必须做好密封，以防止蒸气池内的碱金属蒸气和缓冲气体泄漏，并阻止外部物质进入蒸气池内，从而影响激光器的性能。
所述玻璃窗口5位于蒸气池密闭管腔两个端面，其材质采用抗碱、抗腐蚀玻璃。为了提高泵浦光和激光的透过率，减少泵浦光和激光的传输损耗，可使两个窗口与光轴成布儒斯特角安装或在其外表面镀增透膜。
所述缓冲气体注入口6是密闭管腔抽真空和注入缓冲气体的接口，停止使用后关闭缓冲气体注入口6的阀门以阻断密闭管腔内外的物质交流。
所述缓冲气体包括但不限于氦气，甲烷、乙烷以及上述混合气体等。
所述温控管7的外表面分布温度传感器和加热丝，实现对蒸气池内的工作温度的实时监测和加热，温控管7为螺纹管，螺纹管内部填充循环冷却水，若温控管7的监测温度低于设置的激光器的工作温度，则加热丝开始工作，若监测温度高于工作温度，则冷却水开始循环进行散热。
所述密闭管腔内碱金属储存室8位于蒸气池腔体3的侧壁靠下位置，其功能是储存蒸气池在未加热状态下的固态碱金属以及在加热状态下的蒸气饱和沉积的液滴形式的碱金属。储存室中的碱金属蒸气以自下而上的方式进入蒸气池的激光激励区域。通过加热碱金属储存室以获得碱金属蒸气，碱金属蒸气与缓冲气体共同分布于密闭管腔内。所述碱金属蒸气为碱金属激光器的增益介质。
在本实施例中，泵浦激光和激光沿着蒸气池轴向通过蒸气池，位于蒸气池侧壁上的温控管用进水口2、出水口4和缓冲气体注入口6在使用时需做好密封，防止蒸气池内外物质交流。蒸气池的所有部件均需要加热，包括进水口2、出水口4、位于端面的两块玻璃窗口5、缓冲气体注入口6、温控管7以及碱金属储存室8。通过控制各部件的加热温度，使玻璃窗口5的温度略高于蒸气池侧壁3的温度以避免饱和碱金属蒸气在窗口沉积，碱金属储存室的温度略低于蒸气池侧壁3温度使饱和碱金属蒸气沉积在储存室内。
由于蒸气池内混合气体(碱金属蒸气和缓冲气体)的导热率极低，泵浦光激励时会短时间在泵浦激光激励区域内形成较高的温度，这种温度骤升现象极容易引起碱金属蒸气池内的烷烃类缓冲气体与碱金属蒸气原子发生光化学反应，从而消耗碱金属蒸气原子，影响碱金属激光器的激光输出性能和蒸气池的利用率。温控管7的温度应与蒸气池侧壁3的温度一致，激光器工作时，若温控管的监测温度高于设置的工作温度，则开启冷却水循环以降温；若监测温度低于设置的工作温度，则开始加热温控管表面上的加热丝。玻璃窗口5的加热采用中心开孔的圆环状贴片式加热器，加热温度略高于蒸气池的侧壁温度。根据实际需要，可以在加热器与蒸气池或玻璃窗口之间垫入高效传热介质。
本实施例中，优先采用端面泵浦方式，即采用泵浦激光沿着蒸气池轴向从蒸气池一端处的窗口入射经过蒸气池从蒸气池另一端面处的窗口出射的方式。
由上述技术方案可以看出，本发明具有以下显著特点：
1、本发明玻璃窗口所采用的玻璃材料，具有抗碱、耐腐蚀、耐高温性能，能有效抑制玻璃材质与碱金属的反应。两个玻璃窗口均可采用布儒斯特角安装，或采用增透膜方式，能减小泵浦激光和碱金属激光的传输损耗，并有效提高碱金属激光泵浦光的光—光转化效率。
2、该蒸气池所采用的不锈钢-玻璃结构，使得玻璃窗口在受到污染或损坏的情况下可以及时更换，能有效提高蒸气池的重复利用率，大大降低了碱金属激光器的制造成本；而如果采用全玻璃材质的蒸气池，在其被污染或损坏后却不能被再次使用。
3、该蒸气池可根据需要随时改变蒸气池内缓冲气体的成分和配比，可有效提高蒸气池的利用率，明显降低使用成本。这一点，是传统的固体激光器和光纤激光器(激光晶体和掺杂光纤的掺杂浓度一旦固定后就不能被改变)所不能比拟的。
4、该蒸气池所采用的温控式结构，能有效监测蒸气池内的工作温度，有效抑制蒸气池内因局部温度过高所引起的光化学反应、碱金属消耗、激光性能下降等现象，显著提高蒸气池的损伤阈值和蒸气池的输出性能。
5、该蒸气池所采用的结构，可通过形成温度梯度的办法使饱和碱金属蒸气沉积在碱金属储存室内，这样就可以有效提高碱金属的利用率，也可使碱金属激光器的输出性能更加稳定。
6、本发明所采用的温控式蒸气池结构，可以有效延长碱金属激光器的单次使用时间，增加蒸气池的有效寿命。
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 (1)
1.一种端面泵浦碱金属激光器用温控式蒸气池结构，其特征在于，包括：不锈钢碱金属蒸气池腔体(3)、碱金属激光器用玻璃窗口(5)、碱金属蒸气池用温控管(7)；不锈钢碱金属蒸气池腔体(3)两端分别设置碱金属激光器用玻璃窗口(5)，碱金属蒸气池用温控管(7)布置在不锈钢碱金属蒸气池腔体(3)中轴位置，碱金属蒸气池用温控管(7)采用水冷方式和加热丝加热方式对不锈钢碱金属蒸气池腔体(3)内激光器的工作区域进行温控，不锈钢碱金属蒸气池腔体(3)的侧壁处设置碱金属蒸气池用缓冲气体注入口(6)、蒸气池用碱金属储存室(8)，通过碱金属蒸气池用缓冲气体注入口(6)向不锈钢碱金属蒸气池腔体(3)内注入缓冲气体或进行抽真空处理，通过蒸气池用碱金属储存室(8)生成碱金属蒸气；
所述不锈钢碱金属蒸气池腔体(3)的侧壁处分别设置温控管用进水口(2)、温控管用出水口(4)，通过温控管用进水口(2)向碱金属蒸气池用温控管(7)注入冷水，通过温控管用出水口(4)将碱金属蒸气池用温控管(7)换热后温水排出；
蒸气池结构还包括：密封用不锈钢法兰(1)，有两个，分别布置在不锈钢碱金属蒸气池腔体(3)的两个端面，对不锈钢碱金属蒸气池腔体(3)进行密封以及对碱金属激光器用玻璃窗口(5)进行固定；
所述温控管用进水口(2)和温控管用出水口(4)连接水冷设备，连接接口处做气密性处理，保证不锈钢碱金属蒸气池腔体(3)内部的气密性；
所述碱金属激光器用玻璃窗口(5)采用抗碱、抗腐蚀、耐高温的玻璃材料制作，碱金属激光器的泵浦光和激光从碱金属激光器用玻璃窗口(5)的中心区域沿着光轴入射和出射，在两个碱金属激光器用玻璃窗口(5)的外表面安装圆环形加热器使窗口的温度高于不锈钢碱金属蒸气池腔体(3)侧壁温度；
两个所述碱金属激光器用玻璃窗口(5)与光轴成布儒斯特角安装或在其外表面镀增透膜；
所述缓冲气体为氦气、甲烷、乙烷中的一种或几种的混合气体；
所述碱金属蒸气池用温控管(7)外表面分布有温度传感器，用于实时监测蒸气池内泵浦激光激励区域的工作温度；碱金属蒸气池用温控管(7)外表面分布有加热丝，当温度传感器监测到的温度值小于碱金属激光器的设置工作温度值时，启动加热丝工作，实施加热；碱金属蒸气池用温控管(7)内部填充有冷却水，当温度传感器监测到的温度值高于碱金属激光器的设置温度值时，启动冷却水循环，实施降温；
所述蒸气池用碱金属储存室(8)内放置固态碱金属，通过加热碱金属储存室的方式获得碱金属蒸气，作为碱金属激光器的增益介质，碱金属蒸气与缓冲气体共同分布于不锈钢碱金属蒸气池腔体(3)内；通过调整温度，形成不锈钢碱金属蒸气池腔体(3)与碱金属储存室(8)的温度梯度，使过饱和的碱金属蒸气沉积在碱金属储存室(8)，提高碱金属的循环利用率；
所述不锈钢碱金属蒸气池腔体(3)的腔体内壁做光滑处理。
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