CN115693366A - 一种基于光致电离的亚稳态惰性气体激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于光致电离的亚稳态惰性气体激光器，包括惰性气体亚稳态制备室、泵浦光源和预电离光源，其中惰性气体亚稳态制备室内部设有射频电极和接地电极，泵浦光源和预电离光源均设于惰性气体亚稳态制备室外部，且泵浦光源出射光线和预电离光源出射光线垂直正交于惰性气体亚稳态制备室中，泵浦光源和惰性气体亚稳态制备室之间设有第一反射镜，惰性气体亚稳态制备室远离泵浦光源一侧设有第二反射镜，预电离光源和惰性气体亚稳态制备室)之间设有透镜。本发明结合外加电场加速电子碰撞惰性气体原子，进一步产生高浓度亚稳态惰性气体原子，可以避免传统放电方式产生的强电磁辐射问题。
Description
技术领域
本发明涉及亚稳态惰性气体激光技术领域，具体地说是一种基于光致电离的亚稳态惰性气体激光器。
背景技术
光泵浦亚稳态惰性气体激光器(Optically pumped metastable rare gaslaser,OPRGL)采用亚稳态惰性气体原子作为增益介质，与二极管泵浦碱金属激光器(Diodepumped alkali laser,DPAL)相类似，OPRGL也属于三能级气体激光体系，其通过传统放电激励的形式，经过电离、复合、激发态辐射及弛豫等过程，将最外层电子激发形成价电子，获得亚稳态原子，惰性气体中的亚稳态Rg*寿命长，相当于碱金属的基态nS，再通过二极管泵浦光激发亚稳态至高激发态，能够输出近红外波段的激光。
OPRGL与DPAL的不同之处在于：(1)惰性气体原子的化学性质非常稳定，(2)缓冲气体为氦气，不需要依赖烷烃类气体。所以，OPRGL不存在DPAL所面临的诸多问题，例如：碱金属原子与烷烃类气体会发生化学反应、碱金属易电离、烷烃分子分解碳化后污染窗口镜片等。因此，OPRGL具备取代DPAL的巨大潜力。
然而，DPAL是通过加热的方式来产生足够浓度的碱金属蒸汽，OPRGL虽然不需要加热，但是需要放电方式来获得足够浓度的亚稳态原子，而在大功率运转模式下，放电所产生的电磁干扰非常严重，而电磁干扰的来源是初始阶段击穿原子的高压放电过程，强电磁干扰极大地限制了OPRGL的应用平台，另外目前为了极大地拓展激光器的应用领域，会将激光器装载到车载、机载等机动平台，而移动平台对体积重量有着严格的要求，特别是机载平台的要求更为苛刻，为了屏蔽放电产生的电磁干扰问题，需要利用金属结构的电磁屏蔽设施，导致激光系统的体积和重量增加，限制了OPRGL与移动平台的结合，也就影响到了未来OPRGL的应用领域。因此，非常有必要从激光器的工作机制上来解决电磁干扰问题，促进OPRGL在高功率激光领域中的发展。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于光致电离的亚稳态惰性气体激光器，结合外加电场加速电子碰撞惰性气体原子，进一步产生高浓度亚稳态惰性气体原子，可以避免传统放电方式产生的强电磁辐射问题。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种基于光致电离的亚稳态惰性气体激光器，包括惰性气体亚稳态制备室、泵浦光源和预电离光源，其中惰性气体亚稳态制备室内部设有射频电极和接地电极，泵浦光源和预电离光源均设于惰性气体亚稳态制备室外部，且泵浦光源出射光线和预电离光源出射光线垂直正交于惰性气体亚稳态制备室中，泵浦光源和惰性气体亚稳态制备室之间设有第一反射镜，惰性气体亚稳态制备室远离泵浦光源一侧设有第二反射镜，预电离光源和惰性气体亚稳态制备室之间设有透镜。
所述射频电极与射频源相连，且所述射频电极和射频源之间设有匹配网络，所述射频电极与接地电极之间周期性改变电场方向。
所述射频电极的电极板与接地电极的电极板平行设置，所述惰性气体亚稳态制备室靠近预电离光源一侧均设有侧窗口，所述预电离光源输出激光经透镜聚焦后形成聚焦线，且所述聚焦线位于射频电极和接地电极之间，所述聚焦线所在平面与射频电极的电极板以及接地电极的电极板平行，并且所述聚焦线靠近射频电极的电极板一侧。
所述惰性气体亚稳态制备室包括制备室外壁，所述制备室外壁一端设有第一端面窗口，另一端设有第二端面窗口。
所述第一端面窗口和第二端面窗口表面均镀有波段増透膜。
所述第一反射镜表面镀有波段增透膜和波段高反膜，所述第二反射镜表面镀有波段增透膜和波段反射膜。
所述第一反射镜和第二反射镜均为凹面反射镜，所述透镜为柱面凸透镜。
所述惰性气体亚稳态制备室内装有制备亚稳态的惰性气体和缓冲气体。
本发明的优点与积极效果为：
1、本发明利用激光诱发惰性气体光电离的方式，可以产生高密度电子，同时避免了传统放电电离所产生的强电磁辐射问题。
2、本发明在光致电离后，通过射频外电场加速电子碰撞惰性气体原子，能够获得均匀分布的、高浓度的亚稳态惰性气体原子。
3、本发明有效降低了激光器的体积和重量，有助于扩大该类型激光器的应用领域。
附图说明
图1为本发明的结构示意图，
图2为图1中的惰性气体亚稳态制备室结构示意图。
其中，1为泵浦光源，2为第一反射镜，3为惰性气体亚稳态制备室，301为第一端面窗口，302为制备室外壁，303为射频电极，304为接地电极，305为第二端面窗口，4为预电离光源，5为透镜，6为匹配网络，7为第二反射镜，8为射频源。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详述。
如图1～2所示，本发明包括惰性气体亚稳态制备室3、泵浦光源1和预电离光源4，其中如图2所示，惰性气体亚稳态制备室3内部设有射频电极303和接地电极304，如图1所示，泵浦光源1和预电离光源4均设于惰性气体亚稳态制备室3外部，且泵浦光源1出射光线和预电离光源4出射光线垂直正交于惰性气体亚稳态制备室3中，泵浦光源1和惰性气体亚稳态制备室3之间设有第一反射镜2，惰性气体亚稳态制备室3远离泵浦光源1一侧设有第二反射镜7，预电离光源4和惰性气体亚稳态制备室3之间设有透镜5，所述第一反射镜2和第二反射镜7可采用凹面反射镜，所述透镜5可采用柱面凸透镜。
如图2所示，所述惰性气体亚稳态制备室3包括制备室外壁302，所述制备室外壁302一端设有第一端面窗口301，另一端设有第二端面窗口305，如图1所示，泵浦光源1射出的光线经过第一端窗口301射入惰性气体亚稳态制备室3中，并经由第二端面窗口305射出。所述第一端面窗口301和第二端面窗口305需能够满足泵浦光源输出激光的透射，以及满足亚稳态惰性气体激光体系所产生激光的透射。所述第一端面窗口301、第二端面窗口305表面均镀有波段増透膜，此为本领域公知技术。
如图1所示，所述第一反射镜2作为高反腔镜，其表面镀有波段增透膜和波段高反膜，其表面镀膜可实现对泵浦激光波段的高透射率，以及亚稳态激光波段的高反射率，所述第二反射镜7作为输出耦合腔镜，其表面镀有波段增透膜和波段反射膜，其表面镀膜可实现对泵浦激光波段的高透射率，以及亚稳态激光波段的部分透射率。所述反射镜表面镀膜为本领域公知技术。
如图1所示，所述射频电极303通过线路与射频源8相连，且所述射频电极303和射频源8之间设有匹配网络6。射频源8所产生的低压射频电场在射频电极303与接地电极304之间周期性改变电场方向，从而加速电子在射频电极303与接地电极304之间做往复运动。所述射频源8和匹配网络6均为本领域公知技术且为市购产品，其中所述射频源8输出正弦信号的低压射频电场，重复频率为MHz量级，进而实现电场方向周期改变。
如图2所示，所述射频电极303的电极板与接地电极304的电极板平行设置。
所述惰性气体亚稳态制备室3靠近预电离光源4一侧设有侧窗口，所述惰性气体亚稳态制备室3内装有制备亚稳态的惰性气体和缓冲气体，所述预电离光源4输出激光经过透镜5(柱面凸透镜)后，在纵向上激光光斑被压缩和聚焦，在横向上光斑直径不变，因此，预电离光源4输出激光经透镜5聚焦后在横向上产生了聚焦线，并且聚焦线位于射频电极303和接地电极304之间，聚焦线所在平面与射频电极303的电极板以及接地电极304的电极板平行，并且聚焦线靠近射频电极303电极板一侧。预电离光源4输出激光经透镜5线聚焦后作用到靠近射频电极303附近的惰性气体中，少量的惰性气体原子在吸收多个光子后发生多光子电离，产生了初始电子，随后电子吸收光子能量产生动能，继续与惰性气体原子碰撞，发生雪崩电离，产生了高密度的电子。
本发明的工作原理为：
所述惰性气体亚稳态制备室3内装有制备亚稳态的惰性气体和缓冲气体，制备亚稳态原子时，预电离光源4输出激光经过透镜5(柱面凸透镜)后产生了聚焦线并作用于靠近射频电极303附近的惰性气体中，少量的惰性气体原子在吸收多个光子后发生多光子电离，产生了初始电子，随后电子吸收光子能量产生动能，继续与惰性气体原子碰撞，发生雪崩电离，产生了一定分布范围的高密度电子，射频源8产生的低电压射频电场在射频电极303与接地电极304之间周期性改变电场方向，从而加速电子在射频电极303与接地电极304之间做往复运动，实现电子与惰性气体原子的充分碰撞，并能够产生分布均匀、浓度足够的亚稳态惰性气体原子。
而在光泵浦阶段，泵浦光源1输出激光由第一端面窗口301射入惰性气体亚稳态制备室3，再由第二端面窗口305出射，泵浦光源1输出的激光将惰性气体亚稳态制备室3内的亚稳态原子激发，并且辐射出的光子在由第一反射镜2和第二反射镜7所构成的谐振腔内振荡放大，直接产生的激光由第二反射镜7输出。
下面列举几个应用例进一步说明本发明工作原理，其中所述泵浦光源1输出激光波长将位于ns[3/2]2能级(Racah标注，对应的Paschen标注为1s5)的亚稳态惰性气体原子共振激发到np[5/2]3能级(Racah标注，对应的Paschen标注为2p9)，为方便起见，本发明中以Paschen标注为主进行表述。
应用例一：
本应用例中，惰性气体亚稳态制备室3内充装有氖气用于制备亚稳态氖原子，常温下的氖气充气压为65torr(8.7×103Pa)，还充装有氦气作为缓冲气体，常温下的氦气充气压为695torr(9.3×104Pa)。
在制备亚稳态氖原子阶段，预电离光源4输出的532nm激光经过透镜5线聚焦后，通过制备室外壁302的侧面窗口，作用到靠近射频电极303附近的氖-氦惰性气体混合物，少量的氖原子和氦原子在吸收多个光子后发生多光子电离，产生了初始电子，随后电子吸收光子能量产生动能，继续与氖原子和氦原子碰撞，发生雪崩电离，从而通过激光诱发光电离获得了具有一定分布范围的高密度电子；射频源8通过匹配网络6连接到射频电极303，射频源8所产生的低压射频电场在射频电极303与接地电极304之间周期性改变电场方向，加速电子在射频电极303与接地电极304之间做往复运动，实现电子与氖原子的充分碰撞，产生了分布均匀、浓度足够的1s5亚稳态氖原子。
在光泵浦阶段，泵浦光源1输出激光由第一端面窗口301进入惰性气体亚稳态制备室3，再由第二端面窗口305出射，第一端面窗口301、第二端面窗口305的外表面镀有635～645nm和700～705nm波段増透膜，第一反射镜2的表面镀有635～645nm波段增透膜和700～705nm波段高反膜，第二反射镜7的表面镀有635～645nm波段增透膜和700～705nm波段部分反射膜；泵浦光源1输出的640.2nm激光将惰性气体亚稳态制备室3内的1s5亚稳态氖原子激发到2p9能级，在氦原子的碰撞作用下，2p9能级的氖原子快速弛豫到2p10能级，在2p10与1s5能级之间产生粒子数反转，辐射出的光子在由第一反射镜2和第二反射镜7所构成的谐振腔内振荡放大，直接产生的703.2nm激光由第二反射镜7输出。
应用例二：
本应用例中，惰性气体亚稳态制备室3内充装有氩气用于制备亚稳态氩原子，常温下的氩气充气压为40torr(5.3×103Pa)，还充装有氦气作为缓冲气体，常温下的氦气充气压为600torr(8.0×104Pa)。
在制备亚稳态氩原子阶段，预电离光源4输出的532nm激光经过透镜5线聚焦后，通过制备室外壁302的侧面窗口，作用到靠近射频电极303附近的氩-氦惰性气体混合物，少量的氩原子和氦原子在吸收多个光子后发生多光子电离，产生了初始电子，随后电子吸收光子能量产生动能，继续与氩原子和氦原子碰撞，发生雪崩电离，从而通过激光诱发光电离获得了具有一定分布范围的高密度电子；射频源8通过匹配网络6连接到射频电极303，射频源8所产生的低压射频电场在射频电极303与接地电极304之间周期性改变电场方向，加速电子在射频电极303与接地电极304之间做往复运动，实现电子与氩原子的充分碰撞，产生了分布均匀、浓度足够的1s5亚稳态氩原子。
在光泵浦阶段，泵浦光源1输出激光由第一端面窗口301进入惰性气体亚稳态制备室3，再由第二端面窗口305出射，第一端面窗口301、第二端面窗口305的外表面镀有810～815nm和910～915nm波段増透膜，第一反射镜2的表面镀有810～815nm波段增透膜和910～915nm波段高反膜，第二反射镜7的表面镀有810～815nm波段增透膜和910～915nm波段部分反射膜；泵浦光源1输出的811.5nm激光将惰性气体亚稳态制备室3内的1s5亚稳态氩原子激发到2p9能级，在氦原子的碰撞作用下，2p9能级的氩原子快速弛豫到2p10能级，在2p10与1s5能级之间产生粒子数反转，辐射出的光子在由第一反射镜2和第二反射镜7所构成的谐振腔内振荡放大，直接产生的912.3nm激光由第二反射镜7输出。
应用例三：
本应用例中，惰性气体亚稳态制备室3内充装有氪气用于制备亚稳态氪原子，常温下的氪气充气压为15torr(2.0×103Pa)，还充装有氦气作为缓冲气体，常温下的氦气充气压为560torr(7.5×104Pa)。
在制备亚稳态氪原子阶段，预电离光源4输出的532nm激光经过透镜5线聚焦后，通过制备室外壁302的侧面窗口，作用到靠近射频电极303附近的氪-氦惰性气体混合物，少量的氪原子和氦原子在吸收多个光子后发生多光子电离，产生了初始电子，随后电子吸收光子能量产生动能，继续与氪原子和氦原子碰撞，发生雪崩电离，从而通过激光诱发光电离获得了具有一定分布范围的高密度电子；射频源8通过匹配网络6连接到射频电极303，射频源8所产生的低压射频电场在射频电极303与接地电极304之间周期性改变电场方向，加速电子在射频电极303与接地电极304之间做往复运动，实现电子与氪原子的充分碰撞，产生了分布均匀、浓度足够的1s5亚稳态氪原子。
在光泵浦阶段，泵浦光源1输出激光由第一端面窗口301进入惰性气体亚稳态制备室3，再由第二端面窗口305出射，第一端面窗口301、第二端面窗口305的外表面镀有810～815nm和890～895nm波段増透膜，第一反射镜2的表面镀有810～815nm波段增透膜和890～895nm波段高反膜，第二反射镜7的表面镀有810～815nm波段增透膜和890～895nm波段部分反射膜；泵浦光源1输出的813.3nm激光将惰性气体亚稳态制备室3内的1s5亚稳态氪原子激发到2p9能级，在氦原子的碰撞作用下，2p9能级的氪原子快速弛豫到2p10能级，在2p10与1s5能级之间产生粒子数反转，辐射出的光子在由第一反射镜2和第二反射镜7所构成的谐振腔内振荡放大，直接产生的892.9nm激光由第二反射镜7输出。
应用例四：
本应用例中，惰性气体亚稳态制备室3内充装有氙气用于制备亚稳态氙原子，常温下的氙气充气压为10torr(1.3×103Pa)，还充装有氦气作为缓冲气体，常温下的氦气充气压为550torr(7.3×104Pa)。
在制备亚稳态氙原子阶段，预电离光源4输出的532nm激光经过透镜5线聚焦后，通过制备室外壁302的侧面窗口，作用到靠近射频电极303附近的氙-氦惰性气体混合物，少量的氙原子和氦原子在吸收多个光子后发生多光子电离，产生了初始电子，随后电子吸收光子能量产生动能，继续与氙原子和氦原子碰撞，发生雪崩电离，从而通过激光诱发光电离获得了具有一定分布范围的高密度电子；射频源8通过匹配网络6连接到射频电极303，射频源8所产生的低压射频电场在射频电极303与接地电极304之间周期性改变电场方向，加速电子在射频电极303与接地电极304之间做往复运动，实现电子与氙原子的充分碰撞，产生了分布均匀、浓度足够的1s5亚稳态氙原子。
在光泵浦阶段，泵浦光源1输出激光由第一端面窗口301进入惰性气体亚稳态制备室3，再由第二端面窗口305出射，第一端面窗口301、第二端面窗口305的外表面镀有880～885nm和978～983nm波段増透膜，第一反射镜2的表面镀有880～885nm波段增透膜和978～983nm波段高反膜，第二反射镜7的表面镀有880～885nm波段增透膜和978～983nm波段部分反射膜；泵浦光源1输出的881.9nm激光将惰性气体亚稳态制备室3内的1s5亚稳态氙原子激发到2p9能级，在氦原子的碰撞作用下，2p9能级的氙原子快速弛豫到2p10能级，在2p10与1s5能级之间产生粒子数反转，辐射出的光子在由第一反射镜2和第二反射镜7所构成的谐振腔内振荡放大，直接产生的980.0nm激光由第二反射镜7输出。
Claims (8)
1.一种基于光致电离的亚稳态惰性气体激光器，其特征在于：包括惰性气体亚稳态制备室(3)、泵浦光源(1)和预电离光源(4)，其中惰性气体亚稳态制备室(3)内部设有射频电极(303)和接地电极(304)，泵浦光源(1)和预电离光源(4)均设于惰性气体亚稳态制备室(3)外部，且泵浦光源(1)出射光线和预电离光源(4)出射光线垂直正交于惰性气体亚稳态制备室(3)中，泵浦光源(1)和惰性气体亚稳态制备室(3)之间设有第一反射镜(2)，惰性气体亚稳态制备室(3)远离泵浦光源(1)一侧设有第二反射镜(7)，预电离光源(4)和惰性气体亚稳态制备室(3)之间设有透镜(5)。
2.根据权利要求1所述的基于光致电离的亚稳态惰性气体激光器，其特征在于：所述射频电极(303)与射频源(8)相连，且所述射频电极(303)和射频源(8)之间设有匹配网络(6)，所述射频电极(303)与接地电极(304)之间周期性改变电场方向。
3.根据权利要求1所述的基于光致电离的亚稳态惰性气体激光器，其特征在于：所述射频电极(303)的电极板与接地电极(304)的电极板平行设置，所述惰性气体亚稳态制备室(3)靠近预电离光源(4)一侧均设有侧窗口，所述预电离光源(4)输出激光经透镜(5)聚焦后形成聚焦线，且所述聚焦线位于射频电极(303)和接地电极(304)之间，所述聚焦线所在平面与射频电极(303)的电极板以及接地电极(304)的电极板平行，并且所述聚焦线靠近射频电极(303)的电极板一侧。
4.根据权利要求1所述的基于光致电离的亚稳态惰性气体激光器，其特征在于：所述惰性气体亚稳态制备室(3)包括制备室外壁(302)，所述制备室外壁(302)一端设有第一端面窗口(301)，另一端设有第二端面窗口(305)。
5.根据权利要求4所述的基于光致电离的亚稳态惰性气体激光器，其特征在于：所述第一端面窗口(301)和第二端面窗口(305)表面均镀有波段増透膜。
6.根据权利要求1所述的基于光致电离的亚稳态惰性气体激光器，其特征在于：所述第一反射镜(2)表面镀有波段增透膜和波段高反膜，所述第二反射镜(7)表面镀有波段增透膜和波段反射膜。
7.根据权利要求1所述的基于光致电离的亚稳态惰性气体激光器，其特征在于：所述第一反射镜(2)和第二反射镜(7)均为凹面反射镜，所述透镜(5)为柱面凸透镜。
8.根据权利要求1所述的基于光致电离的亚稳态惰性气体激光器，其特征在于：所述惰性气体亚稳态制备室(3)内装有制备亚稳态的惰性气体和缓冲气体。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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