CN113922193A - 一种激光局域加热提高真空系统真空度的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种激光局域加热提高真空系统真空度的装置和方法，所述装置包括：高功率全固态激光器、二分之一波片、偏振分光棱镜、准直透镜、光学垃圾堆、第一反射镜、第二反射镜、聚焦透镜、真空系统和分子泵。所述方法，步骤包括：启动高功率全固态激光器，使激光聚焦到真空系统需要加热的腔体内表面上；增加激光光束的功率至最大，并同时观察真空系统真空计上指数的变化；如果真空计示数变化大，说明真空系统的腔体内表面此位置吸附有杂质气体，激光在此处多停留一会，用于激光加热除气；如此反复，改变激光聚焦在腔体内表面上的位置，逐点除气，直至真空计的示数稳定。本发明可广泛应用于需要高真空度真空系统的实验中。

Description

一种激光局域加热提高真空系统真空度的装置和方法

技术领域

本发明涉及冷原子实验中的真空系统，具体是一种激光局域加热快速提高真空系统真空度的装置和方法。

背景技术

真空系统是冷原子实验系统中的一个重要器件，实验研究的原子装载在真空系统中，如果真空系统的真空度达不到需要的数值，真空系统内的背景气体将会和原子碰撞，使得原子寿命很短，从而无法进行后续的实验研究。目前有多种不同的真空泵用于抽取和获得真空。其中，分子泵是一种用途很广的真空泵，但对于氢气等轻质气体的抽速小；钛升华泵是基于化学吸附来抽除气体的泵，但主要是对活性分子的抽速大，对惰性气体不能吸附抽除；离子泵是抽除惰性气体较好的真空泵。对于已经投入使用的真空系统，真空系统的腔体上不可避免地会附有一些金属原子，或者如果要更换装载的原子或者真空系统漏气，这样真空系统因暴露在空气中而吸附了杂质气体。这些吸附在腔体上的杂质气体将缓慢释放，从而影响真空系统的真空度。为了减小杂质气体对真空系统真空度的影响，现有技术为使用加热带整体包裹真空系统的腔体，整体加热来除去杂质气体，但由于加热带的加热温度限制，真空系统的腔体内表面上，特别是焊接部分和拐角部分,依然有剩余杂质气体没有去除。

发明内容

为了去除这些杂质气体，进一步提高真空系统的真空度，本发明的目的在于提供一种简单、快速、高效的激光局域加热提高真空系统真空度的装置和方法。

本发明针对冷原子实验中的真空系统，对于真空腔体内表面吸附的杂质气体，设计了一种可以快速除气的装置和方法，配合分子泵，该方法不仅可以大大减少抽真空的时间，而且能够有效提高真空系统的真空度。

本发明提供的一种激光局域加热提高真空系统真空度的装置，包括：高功率全固态激光器、二分之一波片、偏振分光棱镜、准直透镜、光学垃圾堆、第一反射镜、第二反射镜、聚焦透镜、真空系统、分子泵；所述的高功率全固态激光器输出的激光，依次通过二分之一波片和偏振分光棱镜；偏振分光棱镜的反射光束进入光学垃圾堆；偏振分光棱镜的透射光束再依次通过准直透镜、第一反射镜、第二反射镜和聚焦透镜，最后照射在真空系统的腔体内表面上；分子泵与真空系统使用波纹管相连，用于抽取真空系统内高温加热释放的杂质气体。

所述的高功率全固态激光器的输出功率大于10W，波长为可见光范围波长。

所述的二分之一波片、偏振分光棱镜、准直透镜、第一反射镜、第二反射镜、聚焦透镜均为适用于高功率全固态激光器激光波长的光学元件。

基于上述装置，本发明提供的一种激光局域加热提高真空系统真空度的方法，包括如下步骤：

1)清洁真空系统的通光窗口片，以免大功率激光将其损伤；

2)启动分子泵，并且使分子泵的抽运速率达到最大状态；

3)启动高功率全固态激光器，旋转二分之一波片，使偏振分光棱镜的透射光束功率最小；测量需要加热的腔体内表面位置到真空系统通光窗口片的距离，用以选取合适的聚焦透镜，通过聚焦透镜使激光聚焦到需要加热的腔体内表面上；

4)旋转二分之一波片，将偏振分光棱镜的透射光束功率增加至最大，并同时观察真空系统真空计上指数的变化；如果真空计示数变化大，说明真空系统的腔体内表面此位置吸附有杂质气体，激光在此处多停留一会，用于激光加热除气；待真空计的示数稳定，此位置的除气完成；

5)调节第一反射镜和第二反射镜，改变激光聚焦在腔体内表面上的位置，重复步骤3和4，直至真空计的示数稳定。

在上述过程中需要注意两点：一是聚焦透镜离真空系统的通光窗口片越近越好，以免激光功率太大而损伤通光窗口片；二是激光光点在通光窗口片上的位置不要靠近通光窗口片的边缘，以免激光打到窗口片和不锈钢材料的焊接处，局部高温达到焊接处的熔点将会导致真空系统漏气。

本发明的有益效果：针对冷原子实验系统中的真空系统，对于真空腔体内表面吸附的杂质气体，杂质气体将缓慢释放，从而影响真空系统的真空度。本发明提供了一种可以快速除去杂质气体的装置和方法，利用激光局域加热腔体的内表面，使吸附在腔体内表面的杂质气体迅速释放，配合分子泵，快速有效提高真空系统的真空度。

附图说明

图1为本发明的一种激光局域加热提高真空系统真空度的装置示意图，图中：1、高功率全固态激光器，2、二分之一波片，3、偏振分光棱镜，4、准直透镜，5、光学垃圾堆，6、第一反射镜，7、第二反射镜，8、聚焦透镜，9、真空系统，10、分子泵。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1所示的一种激光局域加热提高真空系统真空度的装置，包括高功率全固态激光器1、二分之一波片2、偏振分光棱镜3、准直透镜4、光学垃圾堆5、第一反射镜6、第二反射镜7、聚焦透镜8、真空系统9、分子泵10。高功率全固态激光器1输出的激光，依次通过二分之一波片2和偏振分光棱镜3；偏振分光棱镜3的反射光束进入光学垃圾堆5；偏振分光棱镜3的透射光束再依次通过准直透镜4、第一反射镜6、第二反射镜7和聚焦透镜8，最后照射在真空系统9的腔体内表面上；分子泵10与真空系统9使用波纹管相连，用于抽取真空系统9内高温加热释放的杂质气体。

其中，所述的高功率全固态激光器1的输出功率为20W，中心波长为532nm；所述的二分之一波片2为532nm二分之一波片；所述的偏振分光棱镜3为532nm偏振分光棱镜；所述的准直透镜4镀有532nm减反膜；所述的第一反射镜6、第二反射镜7镀有532nm高反膜；所述的聚焦透镜8镀有532nm减反膜；所述的真空系统9为用于装载冷原子铷和钾的真空系统；所述的分子泵10为普发分子泵。

采用上述的装置，激光局域加热提高真空系统真空度的方法，依次包括如下步骤：

1)清洁真空系统1的通光窗口片，使用浓度为99％的酒精和擦镜纸擦除真空系统通光窗口片的灰尘杂质，以免大功率激光将其损伤；

2)启动分子泵10，并且使分子泵10的抽运速率达到最大状态；

3)启动高功率全固态激光器1，旋转二分之一波片2，使偏振分光棱镜3的透射光束功率最小；测量需要加热的腔体内表面位置到真空系统9通光窗口片的距离，用以选取合适的聚焦透镜8，通过聚焦透镜8使激光聚焦到需要加热的腔体内表面上；

4)旋转二分之一波片2，将偏振分光棱镜3的透射光束功率增加至最大，并同时观察真空系统9真空计上指数的变化；如果真空计示数变化大，说明真空系统9的腔体内表面此位置吸附有杂质气体，激光在此处多停留一会，用于激光加热除气；待真空计的示数稳定，此位置的除气完成；

5)调节第一反射镜6和第二反射镜7，改变激光聚焦在腔体内表面上的位置，重复步骤3和4，直至真空计的示数稳定。

通过激光加热除气的方法真空系统的真空计的示数从1.4×10-7Pa减小到7×10-8Pa，系统的真空度大大提高。

Claims (3)

1.一种激光局域加热提高真空系统真空度的装置，其特征在于，包括：高功率全固态激光器、二分之一波片、偏振分光棱镜、准直透镜、光学垃圾堆、第一反射镜、第二反射镜、聚焦透镜、真空系统和分子泵；所述的高功率全固态激光器输出的激光，依次通过二分之一波片和偏振分光棱镜；偏振分光棱镜的反射光束进入光学垃圾堆；偏振分光棱镜的透射光束再依次通过准直透镜、第一反射镜、第二反射镜和聚焦透镜，最后照射在真空系统的腔体内表面上；分子泵与真空系统使用波纹管相连，用于抽取真空系统内高温加热释放的杂质气体。

2.如权利要求1所述的激光局域加热提高真空系统真空度的装置，其特征在于，所述的高功率全固态激光器的输出功率大于10W，波长为可见光范围波长。

3.一种激光局域加热提高真空系统真空度的方法，其特征在于，采用如权利要求1或2所述的装置，包括如下步骤：

1)清洁真空系统的通光窗口片，以免大功率激光将其损伤；

2)启动分子泵，并且使分子泵的抽运速率达到最大状态；

3)启动高功率全固态激光器，旋转二分之一波片，使偏振分光棱镜的透射光束功率最小；测量需要加热的腔体内表面位置到真空系统通光窗口片的距离，用以选取合适的聚焦透镜，通过聚焦透镜使激光聚焦到需要加热的腔体内表面上；

4)旋转二分之一波片，将偏振分光棱镜的透射光束功率增加至最大，并同时观察真空系统真空计上指数的变化；如果真空计示数变化大，说明真空系统的腔体内表面此位置吸附有杂质气体，激光在此处多停留一会，用于激光加热除气；待真空计的示数稳定，此位置的除气完成；

5)调节第一反射镜和第二反射镜，改变激光聚焦在腔体内表面上的位置，重复步骤3和4，直至真空计的示数稳定。

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