CN203645126U - 一种循环抽气获得高纯度太赫兹工作物质的激光器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种循环抽气方法，关闭所有阀门，对太赫兹密封腔抽真空，到达泵饱和时，使工作气体进入太赫兹腔，达到较高气压后，再次抽真空至泵饱和，重复以上步骤3次以上，最后充入工作物质到所需气压，得到含有高纯度工作物质的太赫兹密封腔环境。该方法实现的太赫兹激光器，包括泵浦源，太赫兹密封腔，输入镜，输出镜；太赫兹密封腔和输入镜、输出镜构成一个激光谐振腔；太赫兹密封腔侧面设置工作物质输入端，电容薄膜真空计，真空泵连接端口；真空泵与太赫兹密封腔相连，连接处设置真空泵手动阀门；工作物质容器与太赫兹密封腔相连，连接处设置工作物质手动阀门和高真空微调节阀门。本实用新型可低成本实现高纯度太赫兹气体腔，提升激光器性能。

Description

一种循环抽气获得高纯度太赫兹工作物质的激光器

技术领域

本实用新型涉及一种太赫兹激光器，尤其涉及一种基于循环抽气获得高纯度太赫兹工作物质的激光器装置，属于太赫兹技术领域。 

背景技术

光抽运太赫兹激光器由红外激光泵浦气体工作物质产生太赫兹辐射，其功率较大、模式良好、能够持续稳定输出，因而成为众多太赫兹辐射源中的一朵奇葩。对该种方法进行研究具有重要的理论意义和实际应用价值。在人们试图提高光抽运太赫兹激光器输出功率的研究中，提高太赫兹工作物质的纯度是一个重要的优化参数。 

目前，科研人员在实验系统中在提高太赫兹工作物质纯度所使用的方法是提高放进工作物质之前真空泵对太赫兹气体工作腔的抽真空程度，真空度越高越有利于工作物质纯度的提高。最普遍的方法是采用高性能的真空泵，目前大部分光泵太赫兹气体激光器采用的初级泵和分子泵串联获取高真空：首先由初级泵进行一段时间的抽真空，到一定气压后，打开分子泵，进一步抽取高真空；分子泵对太赫兹腔的抽真空趋于饱和后，用阀门密封整个太赫兹腔，然后放入工作物质分子至其工作气压。这种光泵太赫兹气体激光器气体工作腔高真空度的实现是一个复杂、冗长、昂贵的过程。首先，在硬件设备方面，要有初级泵和分子泵两个泵串联，其中分子泵价格非常昂贵，与之配套的测量真空度的气压表也需要很高的精度。其次，实现高真空需要很长时间。在做实验之前先要提前数小时、甚至提前一天打开初级泵进行抽真空，到一定程度后，才再打开分子泵抽高真空，最后到达稳定的高真空度。再次，太赫兹工作腔所要承受的高真空压力也相当大，对窗口镜片的抗压强度有较高的要求，从而增加了镜片制作的工艺难度和成本，并且厚度较大的光学镜片会加大对泵浦光和信号光的衰减。由于在抽取高真空的时候不能对太赫兹工作腔进行烘烤，一次抽真空后太赫兹激光腔的内壁上往往会有吸附的气体杂质。随着系统器件的增多和抽真空时间的增长，系统的稳定性和精确性将会受到一定的影响。 

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种低成本获得高纯度太赫兹工作物质的激光器装置。 

本实用新型的目的是通过下述方案实现： 

一种循环抽气获得高纯度太赫兹工作物质的激光器，包括泵浦源，太赫兹密封腔，输入镜，输出镜；太赫兹密封腔和输入镜、输出镜构成一个激光谐振腔；太赫兹密封腔前端设置输入窗口，后端设置输出窗口；太赫兹密封腔侧面设置工作物质输入端，电容薄膜真空计，真空泵连接端口；真空泵经真空泵连接端口与太赫兹密封腔相连，连接处设置真空泵手动阀 门；工作物质容器经工作物质输入端与太赫兹密封腔相连，连接处设置工作物质手动阀门和高真空微调节阀门。 

作为本实用新型的进一步改进，所述的太赫兹密封腔是内表面光滑的不锈钢腔体，连接处使用法兰和胶圈进行密封连接，腔体外表面绕有铜管，通水对谐振腔进行冷却。 

作为本实用新型的进一步改进，所述的输入镜为铜基镀金或镀银反射镜，反射镜中间开有锥形圆孔以透进泵浦激光束。 

作为本实用新型的进一步改进，所述的输出镜为铜基镀金或镀银反射镜，中间开有圆孔，作为太赫兹激光输出耦合端。 

作为本实用新型的进一步改进，所述的输出镜为石英镀金或镀银反射镜，中间留有耦合输出用不镀膜部分，边缘开通气孔，作为太赫兹激光输出耦合端。 

作为本实用新型的进一步改进，所述的输入窗口是由泵浦光的窗口材料硒化锌做成的，双面镀10.6微米二氧化碳激光增透膜，用法兰和胶圈密封到太赫兹密封腔输入端。 

作为本实用新型的进一步改进，所述的输出窗口为太赫兹波段的窗口材料做成的，用法兰和胶圈密封到太赫兹密封腔输出端。 

作为本实用新型的进一步改进，所述的电容薄膜真空计，是量程在0-1000Pa的电容薄膜规。 

作为本实用新型的进一步改进，所述的真空泵是机械真空泵，对太赫兹密封腔进行抽真空。 

本实用新型采用循环抽气获得高纯度太赫兹工作物质的方法，包括如下步骤： 

第一步，关闭所有阀门，依次接通真空泵电源、打开真空泵与太赫兹密封腔相连的真空泵手动阀门，对太赫兹密封腔抽真空； 

第二步，观察薄膜电容真空计的示数，到达泵饱和时，关闭真空泵与太赫兹密封腔相连的真空泵手动阀门； 

第三步，打开连通工作物质容器和太赫兹密封腔之间的手动阀门和高真空微调阀门，使工作气体进入太赫兹密封腔，达到电容薄膜规可承受的较高气压后，关闭工作物质容器和太赫兹密封腔之间的手动阀门和高真空微调阀门； 

第四步，再次打开真空泵与太赫兹密封腔相连的真空泵手动阀门，对太赫兹密封腔抽真空，观察电容真空计的示数，到达泵饱和时，关闭真空泵与太赫兹密封腔相连的真空泵手动阀门； 

第五步，重复步骤第三步，放入气体工作物质，重复步骤第四步，对太赫兹密封腔抽真空，根据对工作物质纯度的要求，重复以上步骤3次以上； 

第六步，上述步骤完成之后所有阀门处于关闭状态，太赫兹密封腔内处于真空泵饱和状态；打开连通工作物质容器和太赫兹密封腔的手动阀门，调节高真空手动阀门，使薄膜真空计的示数以一定的速率上升，达到所需工作物质的工作气压后，依次关闭太赫兹密封腔与工作物质容器相连的微调阀门和手动阀门，得到含有高度纯净工作物质的太赫兹密封腔（9）环境。 

循环抽气获取高纯度工作物质的原理 

设太赫兹密封腔1的长度为2米，直径为10厘米，工作气压为p_z=200帕。初级泵所能抽到的真空气压为p_c=10^-1帕，分子泵所能抽到的真空气压为p_f=10^-3帕。 

首先我们对传统的一次抽取高真空并放入太赫兹工作气体的所得到的工作物质的杂质的浓度进行计算： 

杂质在太赫兹工作腔中所占的比例为： 

$M_y=\frac{p_f}{p_z}=\frac{{10}^{-3}}{200}=5\×{10}^{-6}$

然后我们对改进的多次抽低真空并相应的多次放入工作气体所得到的工作物质的杂质浓度进行计算: 

第一次抽真空： $M_1=\frac{p_c}{p_z}=\frac{{10}^{-1}}{200}=5\×{10}^{-4}$

第二次抽真空： $M_2=\frac{p_c}{p_z\×p_z}=\frac{{10}^{-1}}{200\×200}=2.5\×{10}^{-6}$

第三次抽真空： $M_3=\frac{p_c}{p_z\×p_z\×p_z}=\frac{{10}^{-1}}{200\×200\×200}=1.25\×{10}^{-8}$

…… 

从以上计算结果可以看出，对于我们最后所关心的工作气体的纯度，改进后的循环抽气方法在进行3次反复操作后，得到的工作物质的纯度已经高于传统的一次抽取高真空并放入工作气体的所得到的工作物质的纯度，在高于该操作次数后，我们能够得到更高纯度的工作物质。 

理论计算表明，用改进的太赫兹工作腔及循环抽气方法，经过简单的操作后，所得到的工作物质的纯度能够达到传统的一次抽取高真空并放入工作气体的所得到的工作物质纯度，我们还能够通过增加操作的次数得到更高的工作物质的纯度，这对于提高太赫兹输出光强是一个极为重要的环节。 

本实用新型和现有技术相比具有如下优点及效果： 

1.本实用新型通过数次的抽气循环和工作物质在太赫兹腔中的“冲洗”，能够消除游离和吸附在谐振腔壁上的气体杂质，高度净化太赫兹谐振腔，优化工作物质的纯度，从而提高激光器性能。 

2.本实用新型不再使用初级机械泵和分子泵串联的结构，而仅使用机械真空泵配合手动阀门和高真空微调节阀门实现快速、高效提高光泵太赫兹激光器气体谐振腔中工作物质的纯度，结构简化、紧凑，大大降低了高性能光抽运太赫兹激光器的成本； 

3.本实用新型不需要对气体谐振腔抽取极高的真空度，降低了对真空泵本身、气压表的精度要求，降低了对各光学器件的机械强度要求； 

4.由于对真空度要求降低，缩短了初级泵和分子泵串联抽真空的时间。 

附图说明

图1循环抽气太赫兹激光器结构示意图 

图2循环抽气太赫兹激光器原理示意图 

图面说明： 

1-泵浦源；2-输入窗口；3-输入镜；4-工作物质容器；5-高真空微调阀门；6-工作物质手动阀门；7-工作物质输入端；8-电容薄膜真空计；9-太赫兹密封腔；10-真空泵；11-真空泵手动阀门；12-真空泵连接端口；13-输出镜；14-输出窗口； 

具体实施方式

结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步说明，但不是限制本实用新型。 

实施例一，一种循环抽气获得高纯度太赫兹工作物质的激光器，包括泵浦源1，太赫兹密封腔9，输入镜3，输出镜13；太赫兹密封腔9和输入镜3、输出镜13构成一个激光谐振腔；太赫兹密封腔前端设置输入窗口2，后端设置输出窗口14；太赫兹密封腔侧面设置工作物质输入端7，电容薄膜真空计8，真空泵连接端口12；真空泵10经真空泵连接端口12与太赫兹密封腔相连，连接处设置真空泵手动阀门11；工作物质容器4经工作物质输入端7与太赫兹密封腔9相连，连接处设置工作物质手动阀门6和高真空微调节阀门5。太赫兹密封腔9是内表面光滑的不锈钢腔体，连接处使用法兰和胶圈进行密封连接，腔体外表面绕有铜管，通水对谐振腔进行冷却。输入镜3为铜基镀金反射镜，反射镜中间开有锥形圆孔以透进泵浦激光束，锥形圆孔最小直径2毫米。输出镜13为铜基镀银反射镜，中间开有圆孔，圆孔直径11毫米，作为太赫兹激光输出耦合端。输入窗口2是由泵浦光的窗口材料硒化锌做成的，双面镀10.6微米二氧化碳激光增透膜，用法兰和胶圈密封到太赫兹密封腔9输入端。输出窗口14为太赫兹波段的窗口材料聚四氟乙烯做成，用法兰和胶圈密封到太赫兹密封腔9输出端。电容薄膜真空计8，是量程在0-1000Pa的电容薄膜规，测量数据不受被测物质成份的影响， 精度高。真空泵是机械真空泵，对太赫兹激光腔进行抽真空。 

实验中使用的泵浦源1为来自爱丁堡公司的PL5二氧化碳激光器，波长范围9-11微米，80条可选线，连续的平均输出功率为50W。电容薄膜真空计8为晨阳公司高精度数字显示电容薄膜真空计，0-1000帕数字显示。真空泵10为英国进口机械泵Edwards RV3。工作物质采用德国默克的纯度为99.99%色谱级甲醇。 

该太赫兹激光器净化气体腔采用循环抽气获得高纯度太赫兹工作物质的方法，具体实施步骤为： 

第一步，系统检查仪器外观，关闭所有阀门，依次接通真空泵10电源、打开真空泵10与太赫兹密封腔9相连的真空泵手动阀门11，对太赫兹密封腔9抽真空； 

第二步，观察薄膜电容真空计8的示数，到达泵饱和时，关闭真空泵与太赫兹密封腔9相连的真空泵手动阀门11，真空泵继续工作，防止阀门11密封不足，产生漏气； 

第三步，打开连通工作物质容器4和太赫兹密封腔9之间的手动阀门6和高真空微调阀门5，使工作气体缓慢进入太赫兹腔，达到电容薄膜规可承受的较高气压后，关闭工作物质容器4和太赫兹密封腔9之间的手动阀门6和高真空微调阀门5； 

第四步，剩余的杂质气体与工作物质自动均匀混合，再次打开真空泵10与太赫兹密封腔9相连的真空泵手动阀门11，对太赫兹密封腔9抽真空，观察电容真空计8的示数，到达泵饱和时，关闭真空泵10与太赫兹密封腔9相连的真空泵手动阀门11，真空泵继续工作； 

第五步，重复步骤第三步，放入气体工作物质，重复步骤第四步，对太赫兹密封腔9抽真空，根据对工作物质纯度的要求，重复以上步骤3次以上，达到消除气体杂质的目的； 

第六步，上述步骤完成之后所有阀门处于关闭状态，太赫兹密封腔9内处于真空泵饱和状态；打开连通工作物质容器4和太赫兹密封腔9的手动阀门6，缓慢调节高真空手动阀门5，使薄膜真空计8的示数以一定的速率上升，达到所需工作物质的工作气压后，依次关闭太赫兹密封腔9与工作物质容器4相连的微调阀门5和手动阀门6，得到含有高度纯净工作物质的太赫兹密封腔9环境。 

实施例二与实施例一基本相同，不同之处在于，作为太赫兹激光输出耦合端的输出镜13为石英镀金或镀银反射镜，中间留有耦合输出用不镀膜部分，直径11mm，边缘开3个直径为3mm的通气孔，这种方案更便于激光器的调节。 

Claims (9)

1.一种循环抽气获得高纯度太赫兹工作物质的激光器，其特征在于：包括泵浦源（1），太赫兹密封腔（9），输入镜（3），输出镜（13）；太赫兹密封腔（9）和输入镜（3）、输出镜（13）构成一个激光谐振腔；太赫兹密封腔前端设置输入窗口（2），后端设置输出窗口（14）；太赫兹密封腔侧面设置工作物质输入端（7），电容薄膜真空计（8），真空泵连接端口（12）；真空泵（10）经真空泵连接端口（12）与太赫兹密封腔相连，连接处设置真空泵手动阀门（11）；工作物质容器（4）经工作物质输入端（7）与太赫兹密封腔（9）相连，连接处设置工作物质手动阀门（6）和高真空微调节阀门（5）。 

2.如权利要求1所述的一种循环抽气获得高纯度太赫兹工作物质的激光器，其特征在于：所述的太赫兹密封腔（9）是内表面光滑的不锈钢腔体，连接处使用法兰和胶圈进行密封连接，腔体外表面绕有铜管，通水对谐振腔进行冷却。 

3.如权利要求1所述的一种循环抽气获得高纯度太赫兹工作物质的激光器，其特征在于：所述的输入镜（3）为铜基镀金或镀银反射镜，反射镜中间开有锥形圆孔以透进泵浦激光束。 

4.如权利要求1所述的一种循环抽气获得高纯度太赫兹工作物质的激光器，其特征在于：所述的输出镜（13）为铜基镀金或镀银反射镜，中间开有圆孔，作为太赫兹激光输出耦合端。 

5.如权利要求1所述的一种循环抽气获得高纯度太赫兹工作物质的激光器，其特征在于：所述的输出镜（13）为石英镀金或镀银反射镜，中间留有耦合输出用不镀膜部分，边缘开通气孔，作为太赫兹激光输出耦合端。 

6.如权利要求1所述的一种循环抽气获得高纯度太赫兹工作物质的激光器，其特征在于：所述的输入窗口（2）是由泵浦光的窗口材料硒化锌做成的，双面镀10.6微米二氧化碳激光增透膜，用法兰和胶圈密封到太赫兹密封腔（9）输入端。 

7.如权利要求1所述的一种循环抽气获得高纯度太赫兹工作物质的激光器，其特征在于：所述的输出窗口（14）为太赫兹波段的窗口材料做成的，用法兰和胶圈密封到太赫兹密封腔（9）输出端。 

8.如权利要求1所述的一种循环抽气获得高纯度太赫兹工作物质的激光器，其特征在于：所述的电容薄膜真空计（8），是量程在0-1000Pa的电容薄膜规。 

9.如权利要求1所述的一种循环抽气获得高纯度太赫兹工作物质的激光器，其特征在于：所述的真空泵（10）是机械真空泵，对太赫兹密封腔（9）进行抽真空。 

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