CN114199831B - 在空芯光子晶体光纤中充装碱金属蒸汽与检测的装置及方法与应用 - Google Patents

在空芯光子晶体光纤中充装碱金属蒸汽与检测的装置及方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种在空芯光子晶体光纤中充装碱金属蒸汽及检测的装置，包括充装部分与检测部分。首先，按照梯度ΔT逐段递减加热温度进行第一阶段加热控制，在饱和蒸汽压差作用下，碱金属蒸汽在空芯光子晶体光纤中快速扩散；然后，按照梯度ΔT逐段提高加热温度进行第二阶段加热控制，使得气室b与气室a的温度相同；最后，当光谱仪测得的Ia/Ib比值为1:1时，完成充装。本发明解决了以往充装速度缓慢的问题，实现了空芯光子晶体光纤在存在高压缓冲气体条件下的快速充装，并保证了碱金属蒸汽原子浓度在空芯光子晶体光纤中的快速稳定及均匀分布；利用光谱仪进行非接触式探测荧光信号，可实时检测碱金属蒸汽的充装情况，保证充装的可靠性。

Description

在空芯光子晶体光纤中充装碱金属蒸汽与检测的装置及方法 与应用
技术领域
本发明属于碱金属蒸汽激光技术领域，具体涉及一种在空芯光子晶体光纤中充装碱金属蒸汽及检测的装置与方法。
背景技术
二极管泵浦碱金属激光器(Diode pumped alkali laser，DPAL)近十年来发展迅猛，公开报道可实现千瓦级功率输出，并且表现出优良的定标放大性，因此已经具备在未来发展成为高功率激光的潜力。然而，DPAL对泵浦光的吸收线宽极窄，在原子吸收线宽量级，通过加入缓冲气体可以增加碱金属对泵浦光的吸收线宽，但相对于二极管激光2-5nm的线宽，即便在压窄泵浦光的线宽后，仍然会有大量的泵浦光无法被吸收，这些剩余泵浦光在碱金属蒸汽中会产生废热，进而影响到光光转化效率。这也导致了在理论上虽然DPAL的量子亏损极低，应该表现出较高的光子转化效率，但是在高功率输出下光光转化效率仍然不理想。在这一背景下，为了解决DPAL吸收线宽与二极管泵浦光带宽不匹配的问题，准分子宽带泵浦碱金属激光器(Excimer pumped alkali laser，XPAL)被提出，并受到了广泛的关注。XPAL利用碱金属原子与惰性气体原子(或烷烃分子)所形成的准分子，可以实现对泵浦光的宽带吸收，吸收带宽可达5nm以上，理论上可以将泵浦光全部吸收。但另一方面，准分子是由范德华作用力形成的，这就导致准分子对泵浦光吸收较弱，极大地限制了XPAL在高功率激光领域中的发展。
随着空芯光子晶体光纤的兴起，将空芯光子晶体光纤应用到碱金属蒸汽激光的方案受到了广泛关注，光纤的表面体积比极高，因此表现出极佳的散热特性。更为重要的是空芯光子晶体光纤能将泵浦光约束在微米尺寸中，从而实现极高的泵浦强度，还可以提供极长的作用距离，因而极大地提高了泵浦光与准分子之间的相互作用，能够明显改善XPAL的光光转化效率。
当光纤较短时，可以将光纤整体放置于气室内，由于光纤空芯部分的直径在几十微米量级，碱金属蒸汽自由扩散到空芯光子晶体光纤中的速度较慢。如果气室中充入缓冲气体，从安全角度出发，需要先充好缓冲气体，再加热产生碱金属蒸汽，那么碱金属蒸汽在含有缓冲气体的空芯光纤中的自由扩散将变得更为迟缓，非常不利于进行快速使用。另一方面，考虑到常用的空气引导型空芯光子晶体光纤对弯曲极为敏感，如果光纤较长，对气室的长度要求也会提出严苛的挑战。
发明内容
本发明目的在于提供一种存在缓冲气体时，能够快速实现锂、钠、钾、铷、铯等碱金属蒸汽充装进入空芯光子晶体光纤的装置与方法，并且可以实时检测是否完成充装。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种在空芯光子晶体光纤中充装碱金属蒸汽及检测装置，包括一气室a，气室a左侧有一窗口a，气室a顶端有一气阀a，气室a右侧与一空芯光子晶体光纤一端密封；一气室b，气室b右侧有一窗口b，气室b顶端有一气阀b，气室b左侧与空芯光子晶体光纤另一端密封。
空芯光子晶体光纤外部没有涂覆层，避免涂覆层的有机材料与碱金属蒸汽发生化学反应，空芯光子晶体光纤的纤芯直径在100微米以上，纤芯外部有包层，直径一般在200微米左右，材料为石英，包层外增加一层石英材料的匹配层，用于衰减掉泄露光，厚度为几十微米。
将碱金属放置在气室a内部，气室a内部有保护气，打开气阀a，将气室a、空芯光子晶体光纤以及气室b抽真空，随后关闭气阀a；气阀b连接输送缓冲气体(惰性气体或烷烃类气体)的管路，打开气阀b，充入缓冲气体进入气室b。由于存在压差，缓冲气体会迅速充入空芯光子晶体光纤以及气室a，随后关闭气阀b。
一加热装置覆盖气室a、气室外部的空芯光子晶体光纤和气室b，通过温度控制仪进行第一阶段加热控制。在第一阶段加热控制过程中，加热装置将气室a加热到温度T(1)，使气室a内的碱金属熔化，在一定的饱和蒸汽压下，会产生碱金属蒸汽。将空芯光子晶体光纤分为(N+1)段，气室a内部的空芯光子晶体光纤为第1段光纤，其加热温度将与气室a相同达到T(1)，加热装置将气室a和气室b外部连接的空芯光子晶体光纤按照梯度ΔT逐级递减加热，即与气室a外部直接连接的第2段光纤的加热温度为T(2)，T(2)＝T(1)-ΔT，依次与第2段光纤相连接的第3段光纤的加热温度为T(3)，T(3)＝T(2)-ΔT；依次类推，最后与气室b外部直接连接的第N段光纤的加热温度为T(N)，T(N)＝T(N-1)-ΔT，T(N-1)为上一级与第N段光纤相连接的(N-1)段光纤的温度，气室b的加热温度为T(N+1)，T(N+1)＝T(N)-ΔT＝T(1)-N×ΔT，T(N+1)的温度要大于所用碱金属的熔点，气室b内部的空芯光子晶体光纤为第(N+1)段光纤，其加热温度将与气室b相同达到T(N+1)。
由于碱金属的熔点较低，随着碱金属加热温度的提高，碱金属的饱和蒸汽压也会提高，气室a内的碱金属蒸汽中碱金属原子浓度也得到增加，在缓冲气体气压较高时，缓冲气体原子(或分子)的浓度也比较高。如果将气室a、空芯光子晶体光纤以及气室b同时加热到相同温度，那么这些区域碱金属的饱和蒸汽压也一致，碱金属原子将主要是通过自由扩散进入空芯光子晶体光纤，其扩散速度将极为迟缓。然而，在温度低的区域，碱金属的饱和蒸汽压比较低，相应的碱金属的原子浓度也比较低，温度高的区域，碱金属的饱和蒸汽压比较高，相应的碱金属的原子浓度也比较高。在极端情况下，温度低于碱金属熔点的区域，可以发现碱金属快速凝结成固体，并且不断积累，这是因为高温和低温区域的饱和蒸汽压存在了压差，加快了碱金属蒸汽中的原子从高温(高浓度)向低温(低浓度)区域运动，产生了“抽水效应”。利用加热装置从气室a到空芯光子晶体光纤，再到气室b按照梯度逐段递减进行加热，可以加快碱金属蒸汽由气室a向气室b扩散，并充装进入整个空芯光子晶体光纤。需要注意的是，气室b的温度尽可能低些，但要高于碱金属的熔点，避免碱金属在空芯光子晶体光纤中凝结成固体，导致堵塞碱金属蒸汽的扩散。
一泵浦源a，输出波长对应于所使用的碱金属的D2线，泵浦源a输出激光通过窗口a垂直入射气室a，光路与空芯光子晶体光纤同轴共线；一泵浦源b，输出波长对应于所使用的碱金属的D2线，泵浦源b输出激光通过窗口b垂直入射气室b，光路与空芯光子晶体光纤同轴共线；泵浦源a与泵浦源b距离对应气室窗口的距离和角度相同，对称放置。一光谱仪连接一Y形分支光纤，光纤头a在靠近窗口a的侧面进行荧光收集，光纤头b在靠近窗口b的侧面进行荧光收集，光纤头a与光纤头b距离对应气室窗口的距离和角度相同，对称放置。
泵浦源a输出激光将碱金属原子由n2S1/2能级激发到n2P3/2能级，在气室a内缓冲气体的碰撞作用下，碱金属原子由n2P3/2能级弛豫到n2P1/2能级，随后可以辐射出D1线荧光，光谱仪探测到由光纤头a收集的D1线荧光信号；泵浦源b输出激光将碱金属原子由n2S1/2能级激发到n2P3/2能级，在气室b内缓冲气体的碰撞作用下，碱金属原子由n2P3/2能级弛豫到n2S1/2能级，随后可以辐射出D1线荧光，光谱仪探测到由光纤头b收集的D1线荧光信号。通过交替遮挡光纤头a和光纤头b，可以分别探测到气室a和气室b辐射出的D1线信号，通过强度比的关系来判断空芯光子晶体光纤内碱金属蒸汽的充装情况。
碱金属蒸汽的饱和蒸汽压P与加热温度T(摄氏度)之间的关系如公式(1)所示：
其中，A和B为拟合参数，而碱金属蒸汽的原子浓度[Alkali]可以表示为：
其中，NA为阿伏伽德罗常数(6.02×1023/mol)，R为普适气体常量(8.314Pa·m3/mol·K)。碱金属蒸汽中的D1线荧光信号强度I与碱金属蒸汽原子浓度[Alkali]成正比，当气室a的温度为T(1)，气室b的温度为T(N+1)，且气室b内的碱金属原子浓度在饱和蒸汽压作用下达到稳定时，光谱仪探测到的分别由光纤头a和光纤头b收集的D1线荧光信号强度比值Ia:Ib可以表示为：
在加热的初始阶段，由于碱金属蒸汽扩散至气室b较少，光纤头b收集的D1线荧光信号很弱，当光谱仪探测的Ia:Ib满足公式(3)给出的关系后，说明碱金属蒸汽原子浓度已按照加热温度分布稳定。
随后，进行第二阶段加热控制，气室a的温度仍然维持T(1)，逐级按梯度ΔT提高加热温度，依次将气室a外部直接连接的第2段光纤的加热温度T’(2)提高到T(1)，T’(2)＝T(1)＝T(2)+ΔT，第3段光纤的加热温度T’(3)提高到T(2)，T’(3)＝T(2)＝T(3)+ΔT；依次类推，将与气室b外部直接连接的第N段光纤的加热温度T’(N)提高到T(N-1)，T’(N)＝T(N-1)＝T(N)+ΔT，将气室b的加热温度T’(N+1)提高到T(N)，T’(N+1)＝T(N)＝T(N+1)+ΔT。再次逐级按梯度ΔT提高加热温度，当每段加热温度提高至T(1)后便维持不变，这样依次逐级提高各段加热温度到T(1)，最后经过N次升温，将气室b的加热温度提高到T(1)。通过光谱仪测得的Ia:Ib为1:1时，碱金属蒸汽原子浓度在气室a和气室b相同，说明了空芯光子晶体光纤中充入的碱金属蒸汽分布均匀，并且达到加热温度T(1)下的饱和蒸汽压。
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、当空芯光子晶体光纤中存在高气压缓冲气体的情况下，也可以快速将碱金属蒸汽充装进入光纤中，在充装过程中，通过控制气室及空芯光子晶体光纤的加热温度按梯度变化，来加快碱金属蒸汽在空芯光子晶体光纤中的扩散，首尾两端气室的温度差越大，则碱金属蒸汽的扩散速度越快。
2、空芯光子晶体光纤中相邻段的温度梯度变化越小，或者说将空芯光子晶体光纤的梯度加热温度分割越细，则碱金属蒸汽在光纤中的按梯度分布越容易较快实现稳定，再通过逐级按梯度提高加热温度，能够快速在全部空芯光子晶体光纤中实现碱金属蒸汽的均匀充装。
3、利用光谱仪进行非接触探测荧光信号，能够实时检测碱金属蒸汽的充装情况，成本低，操作方便，在实现快速充装的同时，能够保证充装的可靠性。
附图说明
图1为本发明装置结构示意图。
其中，1-泵浦源a；2-光纤头a；3-窗口a；4-气室a；5-气阀a；6-空芯光子晶体光纤；7-温度控制仪；8-加热装置；9-光谱仪；10-Y形光纤；11-气阀b；12-气室b；13-窗口b；14-光纤头b；15-泵浦源b。
图2为本发明第一阶段加热示意图。
具体实施方式
下面将结合附图以具体的实施例来对本发明加以说明，但本发明的保护范围不局限于这些实例。
实施例1
将钠金属放置在气室a 4内部，气室a 4内部有氮气，打开气阀a 5，将气室a 4、空芯光子晶体光纤6以及气室b 12抽真空，随后关闭气阀a 5，将气阀b 11连接输送乙烷的管路，打开气阀b 11，充入10个大气压(1.0MPa)的乙烷气体进入气室b 12，在压差的作用下，乙烷迅速充入空芯光子晶体光纤6以及气室a4，随后关闭气阀b 11；
加热装置8覆盖气室a 4、气室外部的空芯光子晶体光纤6和气室b 12，通过温度控制仪7对加热温度进行控制，加热装置8将气室a 4加热到温度T(1)＝350℃，使气室a 4内的钠熔化产生钠蒸汽，空芯光子晶体光纤6外部没有涂覆层，将空芯光子晶体光纤6分为16段进行加热，气室a 4内部的空芯光子晶体光纤6为第1段光纤，其加热温度将与气室a 4相同达到T(1)＝350℃，加热装置8将气室a 4和气室b 12外部连接的空芯光子晶体光纤6按照梯度10℃逐级递减加热，即与气室a 4外部直接连接的第2段光纤的加热温度为T(2)＝340℃，依次与第2段光纤相连接的第3段光纤的加热温度为T(3)＝330℃，依次类推，T(4)＝320℃，T(5)＝310℃，T(6)＝300℃，T(7)＝290℃，T(8)＝280℃，T(9)＝270℃，T(10)＝260℃，T(11)＝250℃，T(12)＝240℃，T(13)＝230℃，T(14)＝220℃，与气室b 12外部直接连接的第15段光纤的加热温度T(15)＝210℃，气室b 12的加热温度T(16)＝200℃，高于钠金属的熔点98℃，气室b 12内部的空芯光子晶体光纤6为第16段光纤，其加热温度将与气室b 12相同达到T(16)＝200℃；
在T(1)＝350℃的加热温度下，气室a 4内钠饱和蒸汽压为12.1Pa，气室b 12在加热的初始阶段没有钠蒸汽，相应温度下的钠蒸汽饱和蒸汽压极低，当加热到T(16)＝200℃下，气室b 12内的钠饱和蒸汽压为2.2×10-2Pa，气室a 4内对应的钠饱和蒸汽压高出气室b12近三个数量级，在饱和蒸汽压的压差作用下，产生了“抽水效应”，钠蒸汽自气室a 4，通过空芯光子晶体光纤6向气室b 12快速扩散；
泵浦源a 1选择半导体二极管，输出激光波长为589.0nm，对应钠D2线，泵浦源a 1输出激光通过窗口a 3垂直入射气室a 4，光路与空芯光子晶体光纤6同轴共线，泵浦源b 15选择半导体二极管，输出激光波长为589.0nm，对应钠D2线，泵浦源b 15输出激光通过窗口b13垂直入射气室b 12，光路与空芯光子晶体光纤6同轴共线，泵浦源a 1与泵浦源b 15距离对应气室窗口的距离和角度相同，对称放置；光谱仪9选择便携式小型光谱仪，连接Y形光纤10，光纤头a 2在靠近窗口a 3的侧面进行荧光收集，光纤头b 14在靠近窗口b 13的侧面进行荧光收集，光纤头a 2与光纤头b 14距离对应气室窗口的距离和角度相同，对称放置；
泵浦源a 1输出的589.0nm激光将钠原子由32S1/2能级激发到32P3/2能级，在气室a 4内乙烷分子的碰撞作用下，钠原子由32P3/2能级弛豫到32S1/2能级，随后辐射出D1线(589.6nm)荧光，光谱仪9探测到由光纤头a 2收集的D1线荧光信号；泵浦源b 15输出的589.0nm激光将钠原子由32S1/2能级激发到32P3/2能级，在气室b 12内乙烷分子的碰撞作用下，钠原子由32P3/2能级弛豫到32S1/2能级，随后辐射出D1线荧光，光谱仪9探测到由光纤头b14收集的D1线荧光信号；通过交替遮挡光纤头a 2和光纤头b 14，可以分别探测到气室a 4和气室b 12辐射出的钠D1线信号，通过强度比的关系来判断空芯光子晶体光纤6内碱金属蒸汽的充装情况，由公式(2)可以获得，气室a 4在T(1)＝350℃下的钠蒸汽原子浓度为1.4×1015cm-3，气室b 12在T(16)＝200℃下的钠蒸汽原子浓度为3.4×1012cm-3，在此条件下，通过公式(3)可以预测出光谱仪15探测到的分别由光纤头a 2和光纤头b 14收集的钠D1线荧光信号强度比值Ia:Ib＝414:1，当光谱仪9探测到的钠D1线荧光信号强度比值Ia:Ib达到该值时，说明钠蒸汽原子浓度已按照加热温度分布稳定；
通过温度控制仪7的设定控温程序，将气室a 4的温度仍然维持T(1)＝350℃，逐级按梯度10℃提高加热温度，依次将气室a 4外部直接连接的第2段光纤的加热温度提高到T’(2)＝350℃，第3段光纤的加热温度提高到T’(3)＝340℃，依次类推，T’(4)＝330℃，T’(5)＝320℃，T’(6)＝310℃，T’(7)＝300℃，T’(8)＝290℃，T’(9)＝280℃，T’(10)＝270℃，T’(11)＝260℃，T’(12)＝250℃，T’(13)＝240℃，T’(14)＝230℃，与气室b 12外部直接连接的第15段光纤的加热温度提高到T’(15)＝220℃，气室b 12的加热温度提高到T’(16)＝210℃，稳定后，再次逐级按梯度10℃提高加热温度，当每段加热温度提高至T(1)＝350℃后便维持不变，这样依次逐级提高各段加热温度到T(1)＝350℃，最终经过15次升温，将气室b12的加热温度提高到T(1)＝350℃，通过光谱仪9测得的Ia:Ib＝1:1时，钠蒸汽原子浓度在气室a 4和气室b 12相同，说明了空芯光子晶体光纤6中充入的钠蒸汽分布均匀，并且达到加热温度T(1)＝350℃下的饱和蒸汽压。
实施例2
将钾金属放置在气室a 4内部，气室a 4内部有氮气，打开气阀a 5，将气室a 4、空芯光子晶体光纤6以及气室b 12抽真空，随后关闭气阀a 5，将气阀b 11连接输送氦气的管路，打开气阀b 11，充入15个大气压(1.5MPa)的氦气进入气室b 12、在压差的作用下，氦气迅速充入空芯光子晶体光纤6以及气室a4，随后关闭气阀b 11；
加热装置8覆盖气室a 4、气室外部的空芯光子晶体光纤6和气室b 12，通过温度控制仪7对加热温度进行控制，加热装置8将气室a 4加热到温度T(1)＝260℃，使气室a 4内的钾熔化产生钾蒸汽，空芯光子晶体光纤6外部没有涂覆层，将空芯光子晶体光纤6分为12段进行加热，气室a 4内部的空芯光子晶体光纤6为第1段光纤，其加热温度将与气室a 4相同达到T(1)＝260℃，加热装置8将气室a 4和气室b 12外部连接的空芯光子晶体光纤6按照梯度10℃逐级递减加热，即与气室a 4外部直接连接的第2段光纤的加热温度为T(2)＝250℃，依次与第2段光纤相连接的第3段光纤的加热温度为T(3)＝240℃，依次类推，T(4)＝230℃，T(5)＝220℃，T(6)＝210℃，T(7)＝200℃，T(8)＝190℃，T(9)＝180℃，T(10)＝170℃，与气室b 12外部直接连接的第11段光纤的加热温度T(11)＝160℃，气室b 12的加热温度T(12)＝150℃，高于钾金属的熔点63℃，气室b 12内部的空芯光子晶体光纤6为第12段光纤，其加热温度将与气室b 12相同达到T(12)＝150℃；
在T(1)＝260℃的加热温度下，气室a 4内钾饱和蒸汽压为11.4Pa，气室b 12在加热的初始阶段没有钾蒸汽，相应温度下的钾蒸汽饱和蒸汽压极低，当加热到T(12)＝150℃下，气室b 12内的钾饱和蒸汽压为7.7×10-2Pa，气室a 4内对应的钾饱和蒸汽压高出气室b12近三个数量级，在饱和蒸汽压的压差作用下，产生了“抽水效应”，钾蒸汽自气室a 4，通过空芯光子晶体光纤6向气室b 12快速扩散；
泵浦源a 1选择半导体二极管，输出激光波长为766.5nm，对应钾D2线，泵浦源a 1输出激光通过窗口a 3垂直入射气室a 4，光路与空芯光子晶体光纤6同轴共线，泵浦源b 15选择半导体二极管，输出激光波长为766.5nm，对应钾D2线，泵浦源b 15输出激光通过窗口b13垂直入射气室b 12，光路与空芯光子晶体光纤6同轴共线，泵浦源a 1与泵浦源b 15距离对应气室窗口的距离和角度相同，对称放置；光谱仪9选择便携式小型光谱仪，连接Y形光纤10，光纤头a 2在靠近窗口a 3的侧面进行荧光收集，光纤头b 14在靠近窗口b 13的侧面进行荧光收集，光纤头a 2与光纤头b 14距离对应气室窗口的距离和角度相同，对称放置；
泵浦源a 1输出的766.5nm激光将钾原子由42S1/2能级激发到42P3/2能级，在气室a 4内氦原子的碰撞作用下，钾原子由42P3/2能级弛豫到42S1/2能级，随后辐射出D1线(769.9nm)荧光，光谱仪9探测到由光纤头a 2收集的D1线荧光信号；泵浦源b 15输出的766.5nm激光将钾原子由42S1/2能级激发到42P3/2能级，在气室b 12内氦原子的碰撞作用下，钾原子由42P3/2能级弛豫到42S1/2能级，随后辐射出D1线荧光，光谱仪9探测到由光纤头b 14收集的D1线荧光信号；通过交替遮挡光纤头a 2和光纤头b 14，可以分别探测到气室a 4和气室b 12辐射出的钾D1线信号，通过强度比的关系来判断空芯光子晶体光纤6内碱金属蒸汽的充装情况，由公式(2)可以获得，气室a 4在T(1)＝260℃下的钾蒸汽原子浓度为1.5×1015cm-3，气室b12在T(12)＝150℃下的钾蒸汽原子浓度为1.3×1013cm-3，在此条件下，通过公式(3)可以预测出光谱仪9探测到的分别由光纤头a 2和光纤头b 14收集的钾D1线荧光信号强度比值Ia:Ib＝118:1，当光谱仪9探测到的钾D1线荧光信号强度比值Ia:Ib达到该值时，说明钾蒸汽原子浓度已按照加热温度分布稳定；
通过温度控制仪7的设定控温程序，将气室a 4的温度仍然维持T(1)＝260℃，逐级按梯度10℃提高加热温度，依次将气室a 4外部直接连接的第2段光纤的加热温度提高到T’(2)＝260℃，第3段光纤的加热温度提高到T’(3)＝250℃，依次类推，T’(4)＝240℃，T’(5)＝230℃，T’(6)＝220℃，T’(7)＝210℃，T’(8)＝200℃，T’(9)＝190℃，T’(10)＝180℃，与气室b 12外部直接连接的第11段光纤的加热温度提高到T’(11)＝170℃，气室b 12的加热温度提高到T’(12)＝160℃，稳定后，再次逐级按梯度10℃提高加热温度，当每段加热温度提高至T(1)＝260℃后便维持不变，这样依次逐级提高各段加热温度到T(1)＝260℃，最终经过11次升温，将气室b 12的加热温度提高到T(1)＝260℃，通过光谱仪9测得的Ia:Ib＝1:1时，钾蒸汽原子浓度在气室a 4和气室b 12相同，说明了空芯光子晶体光纤6中充入的钾蒸汽分布均匀，并且达到加热温度T(1)＝260℃下的饱和蒸汽压。
实施例3
将铷金属放置在气室a 4内部，气室a 4内部有氮气，打开气阀a 5，将气室a 4、空芯光子晶体光纤6以及气室b 12抽真空，随后关闭气阀a 5，将气阀b 11连接输送氩气的管路，打开气阀b 11，充入20个大气压(2.0MPa)的氩气进入气室b 12，在压差的作用下，氩气迅速充入空芯光子晶体光纤6以及气室a 4，随后关闭气阀b 11；
加热装置8覆盖气室a 4、气室外部的空芯光子晶体光纤6和气室b 12，通过温度控制仪7对加热温度进行控制，加热装置8将气室a 4加热到温度T(1)＝200℃，使气室a 4内的铷熔化产生铷蒸汽，空芯光子晶体光纤6外部没有涂覆层，将空芯光子晶体光纤6分为22段进行加热，气室a 4内部的空芯光子晶体光纤6为第1段光纤，其加热温度将与气室a 4相同达到T(1)＝200℃，加热装置8将气室a 4和气室b 12外部连接的空芯光子晶体光纤6按照梯度5℃逐级递减加热，即与气室a 4外部直接连接的第2段光纤的加热温度为T(2)＝195℃，依次与第2段光纤相连接的第3段光纤的加热温度为T(3)＝190℃，依次类推，T(4)＝185℃，T(5)＝180℃，T(6)＝175℃，T(7)＝170℃，T(8)＝165℃，T(9)＝160℃，T(10)＝155℃，T(11)＝150℃，T(12)＝145℃，T(13)＝140℃，T(14)＝135℃，T(15)＝130℃，T(16)＝125℃，T(17)＝120℃，T(18)＝115℃，T(19)＝110℃，T(20)＝105℃，与气室b 12外部直接连接的第21段光纤的加热温度T(21)＝100℃，气室b 12的加热温度T(22)＝95℃，高于铷金属的熔点39.3℃，气室b 12内部的空芯光子晶体光纤6为第22段光纤，其加热温度将与气室b 12相同达到T(22)＝95℃；
在T(1)＝200℃的加热温度下，气室a 4内铷饱和蒸汽压为6.0Pa，气室b 12在加热的初始阶段没有铷蒸汽，相应温度下的铷蒸汽饱和蒸汽压极低，当加热到T(22)＝95℃下，气室b 12内的铷饱和蒸汽压为2.2×10-2Pa，气室a 4内对应的铷饱和蒸汽压高出气室b 12两个数量级，在饱和蒸汽压的压差作用下，产生了“抽水效应”，铷蒸汽自气室a 4，通过空芯光子晶体光纤6向气室b 12快速扩散；
泵浦源a 1选择半导体二极管，输出激光波长为780.0nm，对应铷D2线，泵浦源a 1输出激光通过窗口a 3垂直入射气室a 4，光路与空芯光子晶体光纤6同轴共线，泵浦源b 15选择半导体二极管，输出激光波长为780.0nm，对应铷D2线，泵浦源b 15输出激光通过窗口b13垂直入射气室b 12，光路与空芯光子晶体光纤6同轴共线，泵浦源a 1与泵浦源b 15距离对应气室窗口的距离和角度相同，对称放置；光谱仪9选择便携式小型光谱仪，连接Y形光纤10，光纤头a 2在靠近窗口a 3的侧面进行荧光收集，光纤头b 14在靠近窗口b 13的侧面进行荧光收集，光纤头a 2与光纤头b 14距离对应气室窗口的距离和角度相同，对称放置；
泵浦源a 1输出的780.0nm激光将铷原子由52S1/2能级激发到52P3/2能级，在气室a 4内氩原子的碰撞作用下，铷原子由52P3/2能级弛豫到52S1/2能级，随后辐射出D1线(794.8nm)荧光，光谱仪9探测到由光纤头a 2收集的D1线荧光信号；泵浦源b 15输出的780.0nm激光将铷原子由52S1/2能级激发到52P3/2能级，在气室b 12内氩原子的碰撞作用下，铷原子由52P3/2能级弛豫到52S1/2能级，随后辐射出D1线荧光，光谱仪9探测到由光纤头b 14收集的D1线荧光信号；通过交替遮挡光纤头a 2和光纤头b 14，可以分别探测到气室a 4和气室b 12辐射出的铷D1线信号，通过强度比的关系来判断空芯光子晶体光纤6内碱金属蒸汽的充装情况，由公式(2)可以获得，气室a 4在T(1)＝200℃下的铷蒸汽原子浓度为9.2×1014cm-3，气室b12在T(22)＝95℃下的铷蒸汽原子浓度为4.3×1012cm-3，在此条件下，通过公式(3)可以预测出光谱仪9探测到的分别由光纤头a 2和光纤头b 14收集的铷D1线荧光信号强度比值Ia:Ib＝213:1，当光谱仪9探测到的铷D1线荧光信号强度比值Ia:Ib达到该值时，说明铷蒸汽原子浓度已按照加热温度分布稳定；
通过温度控制仪7的设定控温程序，将气室a 4的温度仍然维持T(1)＝200℃，逐级按梯度5℃提高加热温度，依次将气室a 4外部直接连接的第2段光纤的加热温度提高到T’(2)＝200℃，第3段光纤的加热温度提高到T’(3)＝195℃，依次类推，T’(4)＝190℃，T’(5)＝185℃，T’(6)＝180℃，T’(7)＝175℃，T’(8)＝170℃，T’(9)＝165℃，T’(10)＝160℃，T’(11)＝155℃，T’(12)＝150℃，T’(13)＝145℃，T’(14)＝140℃，T’(15)＝135℃，T’(16)＝130℃，T’(17)＝125℃，T’(18)＝120℃，T’(19)＝115℃，T’(20)＝110℃，与气室b 12外部直接连接的第21段光纤的加热温度提高到T’(21)＝105℃，气室b 12的加热温度提高到T’(22)＝100℃，稳定后，再次逐级按梯度5℃提高加热温度，当每段加热温度提高至T(1)＝200℃后便维持不变，这样依次逐级提高各段加热温度到T(1)＝200℃，最终经过21次升温，将气室b 12的加热温度提高到T(1)＝200℃，通过光谱仪9测得的Ia:Ib＝1:1时，铷蒸汽原子浓度在气室a 4和气室b 12相同，说明了空芯光子晶体光纤6中充入的铷蒸汽分布均匀，并且达到加热温度T(1)＝200℃下的饱和蒸汽压。
实施例4
将铯金属放置在气室a 4内部，气室a 4内部有氮气，打开气阀a 5，将气室a 4、空芯光子晶体光纤6以及气室b 12抽真空，随后关闭气阀a 5，将气阀b 11连接输送氙气的管路，打开气阀b 11，充入25个大气压(2.5MPa)的氙气进入气室b 12，在压差的作用下，氙气迅速充入空芯光子晶体光纤6以及气室a 4，随后关闭气阀b 11；
加热装置8覆盖气室a 4、气室外部的空芯光子晶体光纤6和气室b 12，通过温度控制仪7对加热温度进行控制，加热装置8将气室a 4加热到温度T(1)＝160℃，使气室a 4内的铯熔化产生铯蒸汽，空芯光子晶体光纤6外部没有涂覆层，将空芯光子晶体光纤6分为19段进行加热，气室a 4内部的空芯光子晶体光纤6为第1段光纤，其加热温度将与气室a 4相同达到T(1)＝160℃，加热装置8将气室a 4和气室b 12外部连接的空芯光子晶体光纤6按照梯度5℃逐级递减加热，即与气室a 4外部直接连接的第2段光纤的加热温度为T(2)＝155℃，依次与第2段光纤相连接的第3段光纤的加热温度为T(3)＝150℃，依次类推，T(4)＝145℃，T(5)＝140℃，T(6)＝135℃，T(7)＝130℃，T(8)＝125℃，T(9)＝120℃，T(10)＝115℃，T(11)＝110℃，T(12)＝105℃，T(13)＝100℃，T(14)＝95℃，T(15)＝90℃，T(16)＝85℃，T(17)＝80℃，与气室b 12外部直接连接的第18段光纤的加热温度T(18)＝75℃，气室b 12的加热温度T(19)＝70℃，高于铯金属的熔点28.4℃，气室b 12内部的空芯光子晶体光纤6为第19段光纤，其加热温度将与气室b 12相同达到T(19)＝70℃；
在T(1)＝160℃的加热温度下，气室a 4内铯饱和蒸汽压为2.1Pa，气室b 12在加热的初始阶段没有铯蒸汽，相应温度下的铯蒸汽饱和蒸汽压极低，当加热到T(19)＝70℃下，气室b 12内的铯饱和蒸汽压为1.0×10-2Pa，气室a 4内对应的铯饱和蒸汽压高出气室b 12两个数量级，在饱和蒸汽压的压差作用下，产生了“抽水效应”，铯蒸汽自气室a 4，通过空芯光子晶体光纤6向气室b 12快速扩散；
泵浦源a 1选择半导体二极管，输出激光波长为852.1nm，对应铯D2线，泵浦源a 1输出激光通过窗口a 3垂直入射气室a 4，光路与空芯光子晶体光纤6同轴共线，泵浦源b 15选择半导体二极管，输出激光波长为852.1nm，对应铯D2线，泵浦源b 15输出激光通过窗口b13垂直入射气室b 12，光路与空芯光子晶体光纤6同轴共线，泵浦源a 1与泵浦源b 15距离对应气室窗口的距离和角度相同，对称放置；光谱仪9选择便携式小型光谱仪，连接Y形光纤10，光纤头a 2在靠近窗口a 3的侧面进行荧光收集，光纤头b 14在靠近窗口b 13的侧面进行荧光收集，光纤头a 2与光纤头b 14距离对应气室窗口的距离和角度相同，对称放置；
泵浦源a 1输出的852.1nm激光将铯原子由62S1/2能级激发到62P3/2能级，在气室a 4内氙原子的碰撞作用下，铯原子由62P3/2能级弛豫到62S1/2能级，随后辐射出D1线(894.3nm)荧光，光谱仪9探测到由光纤头a 2收集的D1线荧光信号；泵浦源b 15输出的852.1nm激光将铯原子由62S1/2能级激发到62P3/2能级，在气室b 12内氙原子的碰撞作用下，铯原子由62P3/2能级弛豫到62S1/2能级，随后辐射出D1线荧光，光谱仪9探测到由光纤头b 14收集的D1线荧光信号；通过交替遮挡光纤头a 2和光纤头b 14，可以分别探测到气室a 4和气室b 12辐射出的铯D1线信号，通过强度比的关系来判断空芯光子晶体光纤6内碱金属蒸汽的充装情况，由公式(2)可以获得，气室a 4在T(1)＝160℃下的铯蒸汽原子浓度为3.6×1014cm-3，气室b12在T(19)＝70℃下的铯蒸汽原子浓度为2.2×1012cm-3，在此条件下，通过公式(3)可以预测出光谱仪9探测到的分别由光纤头a 2和光纤头b 14收集的铯D1线荧光信号强度比值Ia:Ib＝166:1，当光谱仪9探测到的铯D1线荧光信号强度比值Ia:Ib达到该值时，说明铯蒸汽原子浓度已按照加热温度分布稳定；
通过温度控制仪7的设定控温程序，将气室a 4的温度仍然维持T(1)＝160℃，逐级按梯度5℃提高加热温度，依次将气室a 4外部直接连接的第2段光纤的加热温度提高到T’(2)＝160℃，第3段光纤的加热温度提高到T’(3)＝155℃，依次类推，T’(4)＝150℃，T’(5)＝145℃，T’(6)＝140℃，T’(7)＝135℃，T’(8)＝130℃，T’(9)＝125℃，T’(10)＝120℃，T’(11)＝115℃，T’(12)＝110℃，T’(13)＝105℃，T’(14)＝100℃，T’(15)＝95℃，T’(16)＝90℃，T’(17)＝85℃，与气室b 12外部直接连接的第18段光纤的加热温度提高到T’(18)＝80℃，气室b 12的加热温度提高到T’(19)＝75℃，稳定后，再次逐级按梯度5℃提高加热温度，当每段加热温度提高至T(1)＝160℃后便维持不变，这样依次逐级提高各段加热温度到T(1)＝160℃，最终经过18次升温，将气室b 12的加热温度提高到T(1)＝160℃，通过光谱仪9测得的Ia:Ib＝1:1时，铯蒸汽原子浓度在气室a 4和气室b 12相同，说明了空芯光子晶体光纤6中充入的铯蒸汽分布均匀，并且达到加热温度T(1)＝160℃下的饱和蒸汽压。
实施例5
气室a 4内部放置铷金属，气室a 4、空芯光子晶体光纤6以及气室b 12内充装20个大气压(2.0MPa)的氩气，加热装置8覆盖气室a 4、气室外部的空芯光子晶体光纤6和气室b12，通过温度控制仪7对加热温度进行控制，分为以下几种情况：
(1)第一种情况，加热装置8将气室a 4加热到温度T(1)＝200℃，气室a 4内部的空芯光子晶体光纤6为第1段光纤，其加热温度将与气室a 4相同达到T(1)＝200℃，气室a 4和气室b 12外部连接的空芯光子晶体光纤6为第2段光纤，加热装置8将第2段光纤加热到T(2)＝200℃，气室b12也被加热装置8直接加热到T(3)＝200℃，高于铷金属的熔点39.3℃，气室b 12内部的空芯光子晶体光纤6为第3段光纤，第3段光纤的加热温度将与气室b 12相同达到T(3)＝200℃，在这种条件下，发现铷蒸汽由气室a 4向空芯光子晶体光纤6及气室b12扩散非常缓慢，在很长时间内，光谱仪9探测不到气室b12内的铷D1线荧光信号。
(2)第二种情况，加热装置8将气室a 4加热到温度T(1)＝200℃，气室a 4内部的空芯光子晶体光纤6为第1段光纤，其加热温度将与气室a 4相同达到T(1)＝200℃，气室a 4和气室b 12外部连接的空芯光子晶体光纤6为第2段光纤，加热装置8将第2段光纤加热到T(2)＝100℃，不对气室b 12进行加热，气室b 12的温度T(3)为室温(25℃)，低于铷金属的熔点39.3℃，气室b 12内部的空芯光子晶体光纤6为第3段光纤，由于T(2)与T(3)温度差别极大，因此第3段光纤的实际温度要介于T(2)与T(3)之间，高于铷金属的熔点，在这种条件下，很短时间内，发现气室b 12的窗口b 13上有铷金属凝结。
在第一种情况下，气室a 4的加热温度为200℃，气室b 12的加热温度同为200℃，气室a 4与气室b 12的温度差为0℃，在第二种情况下，气室a 4的加热温度为200℃，气室b12的温度为室温(25℃)，气室a 4与气室b 12的温度差为175℃，对比第一种情况与第二种情况，说明了气室a 4与气室b 12的温度差别越大，则碱金属蒸汽的扩散速度越快。
(3)第三种情况，加热装置8将气室a 4加热到温度T(1)＝200℃，气室a 4内部的空芯光子晶体光纤6为第1段光纤，其加热温度将与气室a 4相同达到T(1)＝200℃，气室a 4和气室b 12外部连接的空芯光子晶体光纤6为第2段光纤，加热装置8将第2段光纤加热到T(2)＝150℃，加热装置8将b12加热到T(3)＝100℃，高于铷金属的熔点39.3℃，气室b 12内部的空芯光子晶体光纤6为第3段光纤，由于T(2)与T(3)温度差别明显，因此第3段光纤的实际温度要介于T(2)与T(3)之间，在这种情况下，通过光谱仪9探测气室b12内的铷D1线荧光信号，发现铷D1线荧光信号在逐渐增强的过程中，存在强度波动的情况，需要一定时间才能保持稳定。
(4)第四种情况，加热装置8将气室a 4加热到温度200℃，将空芯光子晶体光纤6分为21段进行加热，气室a 4内部的空芯光子晶体光纤6为第1段光纤，其加热温度将与气室a4相同达到T(1)＝200℃，加热装置8将气室a 4和气室b 12外部连接的空芯光子晶体光纤6按照梯度5℃逐级递减加热，即与气室a 4外部直接连接的第2段光纤的加热温度为T(2)＝195℃，依次与第2段光纤相连接的第3段光纤的加热温度为T(3)＝190℃，依次类推，T(4)＝185℃，T(5)＝180℃，T(6)＝175℃，T(7)＝170℃，T(8)＝165℃，T(9)＝160℃，T(10)＝155℃，T(11)＝150℃，T(12)＝145℃，T(13)＝140℃，T(14)＝135℃，T(15)＝130℃，T(16)＝125℃，T(17)＝120℃，T(18)＝115℃，T(19)＝110℃，与气室b 12外部直接连接的第20段光纤的加热温度T(20)＝105℃，气室b 12的加热温度T(21)＝100℃，高于铷金属的熔点39.3℃，气室b 12内部的空芯光子晶体光纤6为第21段光纤，其加热温度将与气室b 12相同达到T(21)＝100℃，在这种情况下，通过光谱仪9探测气室b12内的铷D1线荧光信号，发现铷D1线荧光信号较为稳定地增强，没有反复波动的现象，能够较快实现信号稳定。
在第三种情况下，空芯光子晶体光纤中相邻段的温度梯度为50℃，在第四种情况下，空芯光子晶体光纤中相邻段的温度梯度为5℃，对比第三种情况与第四种情况，说明了空芯光子晶体光纤中相邻段的温度梯度变化越小，则碱金属蒸汽在光纤中的按梯度分布越容易较快实现稳定。

Claims (6)

1.一种用于空芯光子晶体光纤充装碱金属蒸汽的装置，其特征在于，
包括:气室a(4)、气室b(12)、空芯光子晶体光纤(6)、温度控制仪(7)、加热装置(8)、泵浦源a(1)、泵浦源b(15)、光谱仪(9)和Y形光纤(10)；
所述气室a(4)设有气阀a(5)、窗口a(3)；
所述气室b(12)设有气阀b(11)、窗口b(13)；
所述空芯光子晶体光纤(6)的一端穿过气室a(4)的侧壁进入气室a(4)，另一端穿过气室b(12)的侧壁进入气室b(12)；
所述温度控制仪(7)用于控制加热装置(8)的加热温度；
所述加热装置(8)覆盖气室a(4)、气室b(12)和气室外部的空芯光子晶体光纤(6)的外周；
所述泵浦源a(1)和泵浦源b(15)分别对称放置于窗口a(3)和窗口b(13)的外侧；所述泵浦源a(1)距离窗口a(3)的距离和角度与泵浦源b(15)距离窗口b(13)的距离和角度相同；泵浦源输出的激光通过窗口垂直射入气室，激光光路与空心光子晶体光纤同轴共线；
所述光谱仪(9)用于检测Y形光纤(10)收集的信号；所述Y形光纤(10)的两端设有光纤头a(2)和光纤头b(14)；所述光纤头a(2)和光纤头b(14)分别对称放置在靠近窗口a(4)和窗口b(13)的侧面进行荧光收集；所述光纤头a(2)距离窗口a(4)的距离和角度与光纤头b(14)距离窗口b(13)的距离和角度相同。
2.一种利用权利要求1所述的装置在空芯光子晶体光纤中充装碱金属蒸汽的方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)将碱金属放置于气室a(4)内，通过气阀a(5)将气室a(4)、空芯光子晶体光纤(6)和气室b(12)抽真空，关闭气阀a(5)；通过气阀b(11)将所需气压的缓冲气体充入气室b(12)；在压差作用下，缓冲气体迅速充入空芯光子晶体光纤以及气室a(4)中；
(2)将空芯光子晶体光纤(6)分为N+1段，气室a(4)内部的空芯光子晶体光纤为第1段光纤，气室b(12)内部的空芯光子晶体光纤为第N+1段光纤；
在第一阶段加热控制过程中，加热装置(8)将气室a(4)加热到温度T(1)使碱金属熔化，产生碱金属蒸汽；通过温度控制仪(7)对加热装置(8)进行第一阶段加热控制，使得空芯光子晶体光纤(6)的温度从T(1)按照梯度ΔT逐级递减至T(N+1)；在饱和蒸汽压的压差作用下，碱金属蒸汽自气室a(4)通过空芯光子晶体光纤(6)向气室b(12)快速扩散；
(3)泵浦源a(1)输出波长对应于所使用的碱金属的D2线，泵浦源a(1)输出激光通过窗口a(3)垂直入射气室a(4)，光路与空芯光子晶体光纤(6)同轴共线；泵浦源b(15)输出波长对应于所使用的碱金属的D2线，泵浦源b(15)输出激光通过窗口b(13)垂直入射气室b(11)，光路与空芯光子晶体光纤(6)同轴共线；
碱金属蒸汽的饱和蒸汽压P与加热温度T之间的关系如公式所示：
其中，A和B为拟合参数，
光谱仪(9)检测到分别由光纤头a(2)和光纤头b(14)收集的D1线荧光信号强度Ia与Ib；荧光信号强度比值Ia:Ib与温度T(1)、T(N+1)存在下列关系：
当光谱仪(9)检测到的Ia:Ib值满足上述关系时，碱金属蒸汽原子浓度则已按照加热温度分布稳定，随后进入第二阶段加热控制；
(4)在第二阶段加热控制中，气室a(4)的温度仍然维持为T(1)；通过温度控制仪(7)对加热装置(8)进行第二阶段加热控制，按梯度ΔT逐级提高加热温度，当每段温度提高至T(1)后维持不变，最终使得气室b(12)的温度在N次升温后达到T(1)；通过光谱仪(9)探测到的Ia:Ib比值为1:1时，碱金属蒸汽原子浓度在气室a(4)和气室b(12)相同，说明空芯光子晶体光纤(6)中充入的碱金属蒸汽分布均匀，并且达到加热温度T(1)下的饱和蒸汽压。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述步骤(1)中，在抽真空前，气室a(4)内部有保护气。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述步骤(1)中，缓冲气体为惰性气体或烷烃类气体。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述步骤(2)中，T(N+1)的温度值大于碱金属的熔点。
6.一种根据权利要求2-5任一权利要求所述方法得到的空芯光子晶体光纤在碱金属激光器中的应用。
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