CN212323405U - 一种基于分立式齿轮状蒸气池结构的三波长碱金属蒸气激光器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于分立式齿轮状蒸气池结构的三波长碱金属蒸气激光器，包括：三个独立的齿轮状密闭碱金属蒸气池、三套温控系统、三个泵浦源、三个时域调制器、三套泵浦耦合系统以及一个光学谐振腔；每个齿轮状密闭碱金属蒸气池内分别充入钾、铷和铯介质中的一种以及缓冲气体；每个温控系统设置在一个齿轮状碱金属蒸气池外部，用于控制该碱金属蒸气池的工作温；每个泵浦源的输出激光中心波长与一种碱金属介质的中心吸收波长相对应；每个时域调制器可用于对一路连续泵浦光进行一定频率的时域调制；泵浦耦合系用于将泵浦光耦合进碱金属蒸气池内；光学谐振腔包括输出耦合镜和全反镜。本实用新型结构紧凑、原理简单、防干扰性强。

Description

一种基于分立式齿轮状蒸气池结构的三波长碱金属蒸气激 光器

技术领域

本实用新型属于碱金属蒸气激光器领域，涉及一种基于分立式齿轮状蒸气池结构的三波长碱金属蒸气激光器。

背景技术

自从半导体泵浦碱金属蒸气激光器(Diode-Pumped Al钾ali Laser,DPAL)的概念于2001年被首次提出以来，DPAL获得了广泛关注和迅速发展。DPAL兼具传统气体激光器和固体激光器的优势，同时规避了其缺点，被认为是未来极具潜力的新型高功率激光器的最佳选择之一。其主要优点包括：斯托克斯效率高，废热沉积少；气体介质循环流动，散热性好；气体介质无毒，易于管理操作；气体介质折射率的温度变化系数小，所得光束质量好；近红外光谱，大气透过性好；结构紧凑、体积小、重量轻、易于集成、且环境适应能力强等。基于上述优势，DPAL在科学研究、航空航天、工业加工、医疗卫生和国防军事等领域具有巨大的应用价值。尤其在军事方面，DPAL可应用于激光测距、激光雷达、激光通讯、光电对抗以及军事防御等领域。2010年，美国军方将DPAL作为未来兆瓦级高能激光的首选方案；2012年，美国将DPAL纳入其弹道导弹防御规划项目。近年来，美国更是明确将DPAL作为其“定向能研究”(DER)项目的优先发展技术。

DPAL主要以碱金属原子(钾、或铷、或铯)的饱和蒸气作为工作物质，并添加甲烷、或乙烷、或丙烷等单独大分子碳氢化合物气体，或是这些气体与氦气组成的混合气体作为缓冲气体，来展宽碱金属原子泵浦吸收谱线宽和加快其精细结构能级间的弛豫速率。碱金属原子最外层价电子具有相似的能级结构，且能级间通过粒子的跃迁实现能量转换和激光发射，如图1所示，n₂S_1/2→n₂P_3/2的泵浦吸收跃迁，n₂P_3/2→n₂P_1/2的电偶极禁戒跃迁，以及满足粒子束反转条件时，产生的n₂P_1/2→n₂S_1/2的激光跃迁。

随着高新技术对高效且多样化激光光源的进一步需求，激光器也在不断寻求发展创新，其中值得关注的就有多波长激光器。目前，多波长激光器在光通讯、光计算、精细激光光谱、激光彩色打印、干涉彩虹全息、光动力学医疗、环境监测、激光雷达、激光遥感和光电对抗等重要领域的需求越来越迫切。事实上，在传统的固体和光纤激光领域，多波长激光器已经有一定发展，但这些多波长固体和光纤激光器因自身仍存在着不同程度的缺陷，难以实现高功率多波长激光的同时输出。DPAL拥有优于固体及光纤激光器的许多突出优势，例如可采用在时域上具有不同输出类型或调制方式的泵浦，在同一个谐振腔内可同时泵浦不同的碱金属介质而所产生的不同波长的受激光子互不影响。因此，构建多波长输出的DPAL，将在很大程度上弥补多波长固体和光纤激光器的不足，在未来高功率激光领域有着巨大的发展潜力。

一般说来，对于固体激光器而言，很难使用同一谐振腔同时输出三种调制方式的三波长激光。相反，DPAL以碱金属饱和蒸气作为增益介质，当三种不同的碱金属介质处于同一谐振腔内时，在受到不同泵浦光作用条件下，所产生的三种波长的激光是相互独立的。因此，我们可通过时域调制器对三路泵浦光分别进行时域调制，从而使泵浦光为连续、或脉冲激光，来激励三种碱金属介质，从而实现三波长连续、或三波长脉冲、或三波长混合连续-调制的激光输出。

综上所述，碱金属蒸气激光器具有许多突出优势，尤其在实现三波长连续、三波长调制、三波长混合连续-调制输出的高功率激光光源领域具有巨大的发展潜力。在本实用新型中，我们提出了一种基于分立式齿轮状蒸气池结构的三波长碱金属蒸气激光器。

实用新型内容

(一)实用新型目的

本实用新型的目的是：避免传统多波长固体和光纤激光器的缺陷，充分发挥在同一个谐振腔内可同时泵浦不同的碱金属介质而所产生的不同波长的受激光子互不影响的优势，设计了一种在同一谐振腔内同时实现三波长输出的碱金属蒸气激光器。该种激光系统的关键是三种波长的半导体激光光源分别泵浦充入钾、铷和铯介质的三个相互独立的蒸气池。此外，传统的DPAL蒸气池和加热器均采用的是平整表面结构，这种蒸气池结构中碱金属气体的流动速率有限，常常容易导致蒸汽池端面上存在介质的沉积效应，从而影响激光的输出效率和光学质量，为了避免或尽量减少这种现象，本实用新型设计了相互匹配的齿轮状碱金属蒸气池和齿轮状温控器结构，尤其是齿轮状温控器上设置有凸出的加热电极和凹陷的冷却电极，凸出的加热电极嵌套在齿轮状蒸气池的凹部，凹陷的冷却电极嵌套在齿轮状蒸气池的凸部，工作时，与加热电极接触的蒸汽池区域气体温度较高，而与冷却电极接触的蒸汽池区域气体温度较低，因此，由于温差的作用，蒸汽池内气体的流动将加快，故越不容易在端面发生沉积效应，激光器输出效率越高。最后，为了实现三波长连续、三波长调制、三波长混合连续-调制输出，采用了时域调制器对三路泵浦光进行不同频率的时域调制。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本实用新型提供一种基于分立式齿轮状蒸气池结构的三波长碱金属蒸气激光器，该激光器包括：三个独立的齿轮状密闭碱金属蒸气池、三套温控系统、三个泵浦源、三个时域调制器、一套泵浦耦合系统、一个光学谐振腔；每个独立的齿轮状密闭碱金属蒸气池内充入了固态或液态的钾、铷和铯介质中的一种，以及预设压强的缓冲气体，其中三个蒸汽池内的碱金属介质互不相同；每一套温控系统均由齿轮状温控器、温度传感器和控制器组成，齿轮状温控器具有加热电极和冷却电极，其嵌套在齿轮状密闭碱金属蒸气池外部，并与蒸气池相匹配，用于控制齿轮状密闭碱金属蒸气池的工作温度，以及通过温差增加内部气体循环流动速率，减少碱金属介质的端面沉积；每个泵浦源的输出激光中心波长与一个齿轮状碱金属蒸汽池内碱金属介质的中心吸收波长相对应；每个时域调制器可用于对一路连续泵浦光进行一定频率的时域调制；泵浦耦合系用于将泵浦光耦合进碱金属蒸气池内；光学谐振腔由一个输出耦合镜和一个全反镜组成；所有碱金属蒸气池置于光学谐振腔内部，当各碱金属蒸气池内的碱金属介质受到相应泵浦光激励后辐射出不同波长的受激光子，这些光子在光学谐振腔内来回振荡放大，形成三波长连续、或三波长调制、或三波长混合调制-连续激光输出。

其中，所述碱金属蒸气池侧壁为纵向或横向齿轮状结构，蒸气池材质为玻璃或金属。

其中，各齿轮状碱金属蒸气池内充入的缓冲气体为甲烷、或乙烷、或丙烷单独等烷烃气体，或是这些烷烃气体与氦气组成的混合气体。

其中，所述齿轮状温控器为纵向或横向齿轮状结构，并与碱金属蒸气池管腔外部可嵌套在一起；各温控器上开设有泵浦光透射口。

其中，所述齿轮状温控器上设置有凸出的加热电极和凹陷的冷却电极，凸出的加热电极嵌套在齿轮状蒸气池的凹部，凹陷的冷却电极嵌套在齿轮状蒸气池的凸部；齿轮状温控器完全将齿轮状碱金属蒸气池侧壁包住，并通过加热电极、冷却电极与齿轮状碱金属蒸气池侧壁的直接热传导进行分区域温度控制。

其中，所述任意一个时域调制器被打开时，经过该时域调制器的连续型泵浦光将变成具有一定调制频率的脉冲型泵浦光。

其中，所述时域调制器为斩波器或其他具有时域调制功能的器件。

其中，所述光学谐振腔为U型、或L型、或直线型谐振腔。

其中，所述光学谐振腔为U型谐振腔，第一泵浦源输出的激光经过同轴布置的第一二分之一波片、第一时域调制器、第一聚焦透镜、第一偏振分光棱镜耦合进入第一齿轮状碱金属蒸气池；第二泵浦源输出的激光经过同轴布置的第二二分之一波片、第二时域调制器、第二聚焦透镜、第二偏振分光棱镜耦合进入第二齿轮状碱金属蒸气池；第三泵浦源输出的激光经过同轴布置的第三二分之一波片、第三时域调制器、第三聚焦透镜、第二偏振分光棱镜耦合进入第三齿轮状碱金属蒸气池；第三齿轮状碱金属蒸气池位于第一偏振分光棱镜和第二偏振分光棱镜之间，三个齿轮状碱金属蒸气池的光轴均不同轴；输出耦合镜位于第二齿轮状碱金属蒸气池一侧，全反镜位于第一碱金属蒸气池一侧。

其中，所述光学谐振腔为U型谐振腔，第一泵浦源输出的激光经过同轴布置的第一二分之一波片、第一时域调制器、第一聚焦透镜、第一偏振分光棱镜耦合进入第一齿轮状碱金属蒸气池；第二泵浦源输出的激光经过同轴布置的第二二分之一波片、第二时域调制器、第二聚焦透镜、第二偏振分光棱镜耦合进入第二碱金属蒸气池；第三泵浦源输出的激光经过同轴布置的第三二分之一波片、第三时域调制器、第三聚焦透镜、第二偏振分光棱镜耦合进入第三齿轮状碱金属蒸气池；第一齿轮状碱金属蒸气池和第二齿轮状碱金属蒸气池同轴放置；输出耦合镜位于第三齿轮状碱金属蒸气池一侧，全反镜位于第二齿轮状碱金属蒸气池一侧。

其中，所述光学谐振腔为U型谐振腔，第一泵浦源输出的激光经过同轴布置的第一二分之一波片、第一时域调制器、第一聚焦透镜、第一偏振分光棱镜耦合进入第一齿轮状碱金属蒸气池；第二泵浦源输出的激光经过同轴布置的第二二分之一波片、第二时域调制器、第二聚焦透镜、波长合束器、第二偏振分光棱镜耦合进入第二齿轮状碱金属蒸气池；第三泵浦源输出的激光经过第三二分之一波片、第三时域调制器、第三聚焦透镜后由波长合束器90°转折，再经由第二偏振分光棱镜耦合进入第三齿轮状碱金属蒸气池；第二齿轮状碱金属蒸气池和第三齿轮状碱金属蒸气池同轴布置；输出耦合镜位于第一齿轮状碱金属蒸气池一侧，全反镜位于第三齿轮状碱金属蒸气池一侧。

其中，所述光学谐振腔为L型谐振腔，第一泵浦源输出的激光经过第一二分之一波片、第一时域调制器、第一聚焦透镜后经由波长合束器、偏振分光棱镜后耦合进入第一齿轮状碱金属蒸气池；第二泵浦源输出的激光经过第二二分之一波片、第二时域调制器、第二聚焦透镜、波长合束器后，90°转折，再经由偏振分光棱镜后耦合进入第二齿轮状碱金属蒸气池；第三泵浦源输出的激光经过同轴布置的第三二分之一波片、第三时域调制器、第三聚焦透镜和偏振分光棱镜耦合进入第三碱金属蒸气池；第一齿轮状碱金属蒸气池、第二齿轮状碱金属蒸气池同轴布置；输出耦合镜位于第三齿轮状碱金属蒸气池一侧，全反镜位于第二碱金属蒸气池一侧。

其中，所述光学谐振腔为直线型谐振腔，第一泵浦源输出的激光经过第一二分之一波片、第一时域调制器、第一聚焦透镜后经由第一偏振分光棱镜90°转折后耦合进入第一碱金属蒸气池；第二泵浦源输出的激光经过同轴布置的第二二分之一波片、第二时域调制器、第二聚焦透镜、波长合束器后，经由第二偏振分光棱镜后耦合进入第二齿轮状碱金属蒸气池；第三泵浦源输出的激光经过第三二分之一波片、第三时域调制器、第三聚焦透镜后由波长合束器90°转折，再经由第二偏振分光棱镜90°转折后耦合进入第三碱金属蒸气池；第一齿轮状碱金属蒸气池、第二齿轮状碱金属蒸气池和第三齿轮状碱金属蒸气池并排同轴布置；输出耦合镜位于第二偏振分光棱镜一侧，全反镜位于第一偏振分光棱镜一侧。

(三)有益效果

上述技术方案所提供的基于分立式齿轮状蒸气池结构的三波长碱金属蒸气激光器，具有以下优点：

(1)本实用新型中，通过在同一个谐振腔内使用三种碱金属(钾、铷和铯)介质作为工作物质，可实现近红外波段三种波长的受激光子在同一个谐振腔内的同时振荡，由此来实现三种波长激光的同时输出。

(2)本实用新型中，通过将不同碱金属介质分别充入不同的碱金属蒸气池，避免了多种碱金属介质混合在一起时异种原子间可能存在的碱金属蒸气饱和浓度的降低。

(3)本实用新型中，通过分别调制三个泵浦源的输出功率或线宽等，来达到控制碱金属激光器各波长激光输出物理特性的作用。

(4)本实用新型中，设计了相互匹配的齿轮状碱金属蒸气池和齿轮状温控器结构，尤其是齿轮状温控器上设置有凸出的加热电极和凹陷的冷却电极，凸出的加热电极嵌套在齿轮状蒸气池的凹部，凹陷的冷却电极嵌套在齿轮状蒸气池的凸部，工作时，与加热电极接触的蒸汽池区域附近气体温度较高，而与冷却电极接触的蒸汽池区域附近气体温度较低，由于温差的作用，蒸汽池内气体的流动将加快，故越不容易在端面发生沉积效应，激光器输出效率越高。

(5)本实用新型中，三个时域调制器对三路泵浦光的调制情况决定了该碱金属蒸气激光器的时域输出特性。因此，通过时域调制器调制窄线宽半导体泵浦激光器输出泵浦光的时域输出特性，可实现三波长连续、三波长调制、三波长混合连续-调制输出，从而解决了固体激光器很难实现三波长调制输出的固有缺陷。此外，还可分别调制三路泵浦光的输出时域特性(脉冲宽度、脉冲起始时间、重复频率、脉冲形状等)，从而达到控制碱金属激光器各波长激光时域输出特性的作用。

(6)本实用新型中，这种激光器的结构紧凑、原理简单、防干扰性强，为实现更高效的多波长高功率激光器提供了新的思路，有希望在未来的科学研究、工业加工和军事对抗等领域发挥重要作用。

附图说明

图1是碱金属原子能级结构示意图。

图2是U型谐振腔结构的、三肢分布式端面泵浦的基于分立式齿轮状蒸气池结构的三波长碱金属蒸气激光器的原理示意图。

图3是U型谐振腔结构的、两肢分布式端面泵浦的基于分立式齿轮状蒸气池结构的三波长碱金属蒸气激光器的原理示意图。

图4是U型谐振腔结构的、使用双波长合束器的、两肢分布式端面泵浦的基于分立式齿轮状蒸气池结构的三波长碱金属蒸气激光器的原理示意图。

图5是直线型谐振腔结构的端面泵浦的基于分立式齿轮状蒸气池结构的三波长碱金属蒸气激光器的原理示意图。

图6是L型谐振腔结构的、端面泵浦的基于分立式齿轮状蒸气池结构的三波长碱金属蒸气激光器的原理示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。

以图2和图3为例，图2所示为一种U型谐振腔结构的、三肢分布式端面泵浦的基于分立式齿轮状蒸气池结构的三波长碱金属蒸气激光器的原理示意图，图3所示为一种U型谐振腔结构的、两肢分布式端面泵浦的基于分立式齿轮状蒸气池结构的三波长碱金属蒸气激光器原理示意图，这两种激光器结构均包括齿轮状钾碱金属蒸气池21、齿轮状铷碱金属蒸气池22和齿轮状铯碱金属蒸气池23，齿轮状温控器12、齿轮状温控器13和齿轮状温控器14，泵浦源1、泵浦源2和泵浦源3，二分之一波片4、二分之一波片5、二分之一波片6、时域调制器401、时域调制器501、时域调制器601、聚焦透镜7、聚焦透镜8和聚焦透镜9，偏振分光棱镜10和偏振分光棱镜11，以及输出耦合镜30和全反镜31组成的光学谐振腔。

齿轮状钾碱金属蒸气池21内充有固态或液态钾介质24和预设压强的冲气体27，齿轮状铷碱金属蒸气池22内充有固态或液态铷介质25和预设压强的缓冲气体28，齿轮状铯碱金属蒸气池23内充有固态或液态铯介质26和预设压强的缓冲气体29。缓冲气体27、缓冲气体28和缓冲气体29为甲烷、或乙烷、或丙烷等单独的烷烃气体，或是这些烃类气体与氦气组成的混合气体。缓冲气体的作用是展宽钾原子、铷原子和铯原子泵浦吸收谱的线宽和加快其精细结构能级间粒子的弛豫速率。

齿轮状温控器12、齿轮状温控器13和齿轮状温控器14分别嵌套在齿轮状钾碱金属蒸气池21、齿轮状铷碱金属蒸气池22和齿轮状铯碱金属蒸气池23外部，用以控制齿轮状钾碱金属蒸气池21、齿轮状铷碱金属蒸气池22和齿轮状铯碱金属蒸气池23内的工作温度。工作时，凸出的加热电极18、凸出的加热电极19和凸出的加热电极20温度较高，凹陷的冷却电极15、凹陷的冷却电极16和冷却电极17温度较低，因此，在齿轮状钾碱金属蒸气池21、齿轮状铷碱金属蒸气池22和齿轮状铯碱金属蒸气池23中，介质气体将由于区域温差而加速流动。

泵浦源1、泵浦源2和泵浦源3的输出激光中心波长分别为766nm、780nm和852nm，其分别与齿轮状钾碱金属蒸气池21、齿轮状铷碱金属蒸气池22和齿轮状铯碱金属蒸气池23内钾介质24、铷介质25和铯介质26的泵浦吸收中心波长相对应。

时域调制器401对第泵浦源1输出的激光进行时域调制；时域调制器501对泵浦源2输出的激光进行时域调制；时域调制器601对泵浦源3输出的激光进行时域调制。

聚焦透镜7和偏振分光棱镜10共同将时域调制器器401调制的激光耦合进入齿轮状钾碱金属蒸气池21内；聚焦透镜8和偏振分光棱镜11共同将时域调制器501调制的激光耦合进入齿轮状铷碱金属蒸气池22内；聚焦透镜9和偏振分光棱镜11共同将域调制器601调制的激光耦合进入齿轮状铯碱金属蒸气池23内。

工作时，泵浦源1输出的波长为766nm的钾激光经二分之一波片4、时域调制器401、聚焦透镜7和偏振分光棱镜10耦合进入齿轮状钾碱金属蒸气池21内，此时，钾介质24受到766nm泵浦激光的激励，相应的受激辐射会产生波长为770nm的光子；泵浦源2输出的波长为780nm的铷激光经二分之一波片5、时域调制器501、聚焦透镜8和偏振分光棱镜11耦合进入齿轮状铷碱金属蒸气池22内，此时，铷介质25受到780nm泵浦激光的激励，相应的受激辐射会产生波长为795nm的光子；泵浦源3输出的波长为852nm的铯激光经二分之一波片6、时域调制器601、聚焦透镜9和偏振分光棱镜11耦合进入齿轮状铯碱金属蒸气池23内，此时，铯介质26受到852nm泵浦激光的激励，相应的受激辐射会产生波长为895nm的光子。这三种波长不同的受激光子同时在输出耦合镜30和全反镜31组成的光学谐振腔内反复振荡放大，最终同时输出波长为770nm的钾激光、795nm的铷激光以及895nm的铯激光。

以图4和图5为例，图4为一种U型谐振腔结构的、使用双波长合束器的、两肢分布式端面泵浦的基于分立式齿轮状蒸气池结构的三波长碱金属蒸气激光器的原理示意图，图5为一种直线型谐振腔结构的端面泵浦的基于分立式齿轮状蒸气池结构的三波长碱金属蒸气激光器的原理示意图，它们均包括齿轮状钾碱金属蒸气池21、齿轮状铷碱金属蒸气池22和齿轮状铯碱金属蒸气池23，齿轮状温控器12、齿轮状温控器13和齿轮状温控器14，泵浦源1、泵浦源2和泵浦源3，二分之一波片4、二分之一波片5、二分之一波片6、时域调制器401、时域调制器501、时域调制器601、聚焦透镜7、聚焦透镜8和聚焦透镜9，波长合束器101，偏振分光棱镜10和偏振分光棱镜11，以及输出耦合镜30和全反镜31组成的光学谐振腔。

齿轮状钾碱金属蒸气池21内充有固态或液态钾介质24和预设压强的缓冲气体27，齿轮状铷碱金属蒸气池22内充有固态或液态铷介质25和预设压强的缓冲气体28，齿轮状铯碱金属蒸气池23内充有固态或液态铯介质26和预设压强的缓冲气体29。缓冲气体27、缓冲气体28和缓冲气体29为甲烷、或乙烷、或丙烷等单独的烷烃气体，或是这些烃类气体与氦气组成的混合气体。

齿轮状温控器12、齿轮状温控器13和齿轮状温控器14分别嵌套在齿轮状钾碱金属蒸气池21、齿轮状铷碱金属蒸气池22和齿轮状铯碱金属蒸气池23外部，用以控制齿轮状钾碱金属蒸气池21、齿轮状铷碱金属蒸气池22和齿轮状铯碱金属蒸气池23内的工作温度。工作时，凸出的加热电极18、凸出的加热电极19和凸出的加热电极20温度较高，凹陷的冷却电极15、凹陷的冷却电极16和冷却电极17温度较低，因此，在齿轮状钾碱金属蒸气池21、齿轮状铷碱金属蒸气池22和齿轮状铯碱金属蒸气池23中，介质气体将由于区域温差而加速流动。

泵浦源1、泵浦源2和泵浦源3的输出激光中心波长分别为766nm、780nm和852nm，其分别与齿轮状钾碱金属蒸气池21内钾介质24、齿轮状铷碱金属蒸气池22内铷介质25、齿轮状铯碱金属蒸气池23内铯介质26的泵浦吸收中心波长一一对应。

工作时，泵浦源1输出的波长为766nm的钾激光经二分之一波片4、时域调制器401、聚焦透镜7和偏振分光棱镜10耦合进入钾碱金属蒸气池21内，此时，钾介质24受到766nm泵浦激光的激励，相应的受激辐射会产生波长为770nm的光子；泵浦源2输出的波长为780nm的铷激光经二分之一波片5、时域调制器501、聚焦透镜8、波长合束器101和偏振分光棱镜11耦合进入齿轮状铷碱金属蒸气池22内，此时，铷介质25受到780nm泵浦激光的激励，相应的受激辐射会产生波长为795nm的光子；泵浦源3输出的波长为852nm的铯激光经二分之一波片6、时域调制器601、聚焦透镜9、波长合束器101和第二偏振分光棱镜11耦合进入齿轮状铯碱金属蒸气池23内，此时，铯介质26受到852nm泵浦激光的激励，相应的受激辐射会产生波长为895nm的光子。这三种波长不同的受激光子同时在输出耦合镜30和全反镜31组成的光学谐振腔内来回振荡，最终同时输出波长为770nm的钾激光、795nm的铷激光以及895nm的铯激光。

以图6为例，一种L型谐振腔结构的、端面泵浦的基于分立式齿轮状蒸气池结构的三波长碱金属蒸气激光器的原理示意图，其包括齿轮状钾碱金属蒸气池21、齿轮状铷碱金属蒸气池22和齿轮状铯碱金属蒸气池23，齿轮状温控器12、齿轮状温控器13和齿轮状温控器14，泵浦源1、泵浦源2、泵浦源3，二分之一波片4、二分之一波片5、二分之一波片6、时域调制器401、时域调制器501、时域调制器601、聚焦透镜7、聚焦透镜8和聚焦透镜9，波长合束器101，偏振分光棱镜11，以及输出耦合镜30和全反镜31组成的光学谐振腔。

齿轮状钾碱金属蒸气池21内充有固态或液态钾介质24和预设压强的缓冲气体27，齿轮状铷碱金属蒸气池22内充有固态或液态铷介质25和预设压强的缓冲气体28，齿轮状铯碱金属蒸气池23内充有固态或液态铯介质26和预设压强的缓冲气体29。缓冲气体27、缓冲气体28和缓冲气体29为甲烷、或乙烷、或丙烷等单独的烷烃气体，或是这些烃类气体与氦气组成的混合气体。

齿轮状温控器12、齿轮状温控器13和齿轮状温控器14分别嵌套在齿轮状钾碱金属蒸气池21、齿轮状铷碱金属蒸气池22和齿轮状铯碱金属蒸气池23外部，用以控制齿轮状钾碱金属蒸气池21、齿轮状铷碱金属蒸气池22和齿轮状铯碱金属蒸气池23内的工作温度。工作时，凸出的加热电极18、凸出的加热电极19和凸出的加热电极20温度较高，凹陷的冷却电极15、凹陷的冷却电极16和冷却电极17温度较低，因此，在齿轮状钾碱金属蒸气池21、齿轮状铷碱金属蒸气池22和齿轮状铯碱金属蒸气池23中，介质气体将由于区域温差而加速流动。

泵浦源1、泵浦源2和泵浦源3的输出激光中心波长分别为766nm、780nm和852nm，其分别与齿轮状钾碱金属蒸气池21内钾介质24、齿轮状铷碱金属蒸气池22内铷介质25、齿轮状铯碱金属蒸气池23内铯介质26的泵浦吸收中心波长一一对应。

工作时，泵浦源1输出的波长为766nm的钾激光经二分之一波片4、时域调制器401、聚焦透镜4、波长合束器101和偏振分光棱镜11耦合进入齿轮状钾碱金属蒸气池21内，此时，钾介质24受到766nm泵浦激光的激励，相应的受激辐射会产生波长为770nm的光子；泵浦源2输出的波长为780nm的铷激光经二分之一波片5、时域调制器501、聚焦透镜8、波长合束器101和偏振分光棱镜11耦合进入齿轮状铷碱金属蒸气池22内，此时，铷介质25受到780nm泵浦激光的激励，相应的受激辐射会产生波长为795nm的光子；泵浦源3输出的波长为852nm的铯激光经二分之一波片6、时域调制器601、聚焦透镜9和偏振分光棱镜11耦合进入齿轮状铯碱金属蒸气池23内，此时，铯介质26受到852nm泵浦激光的激励，相应的受激辐射会产生波长为895nm的光子。这三种波长不同的受激光子同时在输出耦合镜30和全反镜31组成的光学谐振腔内来回振荡，最终同时输出波长为770nm的钾激光、795nm的铷激光以及895nm的铯激光。

由上述技术方案可以看出，本实用新型具有以下显著特点：

(1)同一个谐振腔内三个独立的碱金属蒸气池。各碱金属蒸气池内充有不同的碱金属介质，当这些碱金属介质受到相应的泵浦光激励时，分别产生不同频率的受激光子，这些受激光子在谐振腔内不断振荡放大，且异种光子间互不影响，最终可实现多种波长的激光输出。此外，不同的碱金属介质置于不同的碱金属蒸气池中，有效地避免了多种碱金属介质混合在一起时异种原子间可能存在的碱金属蒸气饱和浓度的降低。

(2)多个独立的泵浦源。各泵浦源的峰值功率密度和泵浦线宽等特性在很大程度上决定了碱金属激光器最终输出的各波长激光的输出功率和其他一些输出特性。

(3)三个独立的齿轮状温控器。各齿轮状温控器的温度可分别调制，这有利于分别控制各碱金属蒸气池的工作温度。

(4)设计了相互匹配的齿轮状碱金属蒸气池和齿轮状温控器结构，尤其是齿轮状温控器上设置有凸出的加热电极和凹陷的冷却电极，凸出的加热电极嵌套在齿轮状蒸气池的凹部，凹陷的冷却电极嵌套在齿轮状蒸气池的凸部，工作时，与加热电极接触的蒸汽池区域附近气体温度较高，而与冷却电极接触的蒸汽池区域附近气体温度较低，由于温差的作用，蒸汽池内气体的流动将加快，故越不容易在端面发生沉积效应，激光器输出效率越高。

(5)三个时域调制器对三路泵浦光的调制情况决定了该碱金属蒸气激光器的时域输出特性。因此，通过时域调制器调制泵浦源输出泵浦光的时域输出特性，可实现三波长连续、三波长调制、三波长混合连续-调制输出，从而解决了固体激光器很难实现三波长调制输出的固有缺陷。此外，还可分别调制三路泵浦光的输出时域特性(脉冲宽度、脉冲起始时间、重复频率、脉冲形状等)，从而达到控制碱金属激光器各波长激光时域输出特性的作用。

(6)此类碱金属蒸气激光器的结构可在同一个谐振腔内实现三种碱金属蒸气(钾、铷和铯)的激光同时输出。此类碱金属蒸气激光器的结构可实现各波长的激光分别以不同的激光功率和谱线宽度的组合输出，具有较好的可控性。此类碱金属蒸气激光器结构工艺简单，防干扰性强，克服了多波长固体激光器的一些技术局限，在未来的科学研究、工业加工和军事对抗等领域中都将有着重要的应用。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于分立式齿轮状蒸气池结构的三波长碱金属蒸气激光器，其特征在于，包括：三个独立的齿轮状密闭碱金属蒸气池、三套温控系统、三个泵浦源、三个时域调制器、一套泵浦耦合系统、一个光学谐振腔；每个独立的齿轮状密闭碱金属蒸气池内充入了固态或液态的钾、铷和铯介质中的一种，以及预设压强的缓冲气体，其中三个蒸汽池内的碱金属介质互不相同；每一套温控系统均包括齿轮状温控器、温度传感器和控制器，齿轮状温控器包括加热电极和冷却电极，每一套温控系统嵌套在齿轮状密闭碱金属蒸气池外部，并与蒸气池相匹配，用于控制齿轮状密闭碱金属蒸气池的工作温度；每个泵浦源的输出激光中心波长与一个齿轮状碱金属蒸汽池内碱金属介质的中心吸收波长相对应；每个时域调制器用于对一路连续泵浦光进行频率的时域调制；泵浦耦合系统用于将泵浦光耦合进碱金属蒸气池内；光学谐振腔包括一个输出耦合镜和一个全反镜；所有碱金属蒸气池置于光学谐振腔内部，当各碱金属蒸气池内的碱金属介质受到相应泵浦光激励后辐射出不同波长的受激光子，这些光子在光学谐振腔内来回振荡放大，形成三波长连续、或三波长调制、或三波长混合调制-连续激光输出。

2.如权利要求1所述的基于分立式齿轮状蒸气池结构的三波长碱金属蒸气激光器，其特征在于，所述碱金属蒸气池侧壁为纵向或横向齿轮状结构，蒸气池材质为玻璃或金属。

3.如权利要求1所述的基于分立式齿轮状蒸气池结构的三波长碱金属蒸气激光器，其特征在于，所述齿轮状温控器为纵向或横向齿轮状结构，并与碱金属蒸气池管腔外部嵌套在一起；各温控器上开设有泵浦光透射口；所述齿轮状温控器上设置有凸出的加热电极和凹陷的冷却电极，凸出的加热电极嵌套在齿轮状蒸气池的凹部，凹陷的冷却电极嵌套在齿轮状蒸气池的凸部；齿轮状温控器将齿轮状碱金属蒸气池侧壁包住，通过加热电极、冷却电极与齿轮状碱金属蒸气池侧壁的直接热传导进行分区域温度控制。

4.如权利要求1所述的基于分立式齿轮状蒸气池结构的三波长碱金属蒸气激光器，其特征在于，所述光学谐振腔为U型、或L型、或直线型谐振腔。

5.如权利要求4所述的基于分立式齿轮状蒸气池结构的三波长碱金属蒸气激光器，其特征在于，所述光学谐振腔为U型谐振腔时，第一泵浦源输出的激光经过同轴布置的第一二分之一波片、第一时域调制器、第一聚焦透镜、第一偏振分光棱镜耦合进入第一齿轮状碱金属蒸气池；第二泵浦源输出的激光经过同轴布置的第二二分之一波片、第二时域调制器、第二聚焦透镜、第二偏振分光棱镜耦合进入第二齿轮状碱金属蒸气池；第三泵浦源输出的激光经过同轴布置的第三二分之一波片、第三时域调制器、第三聚焦透镜、第二偏振分光棱镜耦合进入第三齿轮状碱金属蒸气池；第三齿轮状碱金属蒸气池位于第一偏振分光棱镜和第二偏振分光棱镜之间，三个齿轮状碱金属蒸气池的光轴均不同轴；输出耦合镜位于第二齿轮状碱金属蒸气池一侧，全反镜位于第一碱金属蒸气池一侧。

6.如权利要求4所述的基于分立式齿轮状蒸气池结构的三波长碱金属蒸气激光器，其特征在于，所述光学谐振腔为U型谐振腔时，第一泵浦源输出的激光经过同轴布置的第一二分之一波片、第一时域调制器、第一聚焦透镜、第一偏振分光棱镜耦合进入第一齿轮状碱金属蒸气池；第二泵浦源输出的激光经过同轴布置的第二二分之一波片、第二时域调制器、第二聚焦透镜、第二偏振分光棱镜耦合进入第二碱金属蒸气池；第三泵浦源输出的激光经过同轴布置的第三二分之一波片、第三时域调制器、第三聚焦透镜、第二偏振分光棱镜耦合进入第三齿轮状碱金属蒸气池；第一齿轮状碱金属蒸气池和第二齿轮状碱金属蒸气池同轴放置；输出耦合镜位于第三齿轮状碱金属蒸气池一侧，全反镜位于第二齿轮状碱金属蒸气池一侧。

7.如权利要求4所述的基于分立式齿轮状蒸气池结构的三波长碱金属蒸气激光器，其特征在于，所述光学谐振腔为U型谐振腔，第一泵浦源输出的激光经过同轴布置的第一二分之一波片、第一时域调制器、第一聚焦透镜、第一偏振分光棱镜耦合进入第一齿轮状碱金属蒸气池；第二泵浦源输出的激光经过同轴布置的第二二分之一波片、第二时域调制器、第二聚焦透镜、波长合束器、第二偏振分光棱镜耦合进入第二齿轮状碱金属蒸气池；第三泵浦源输出的激光经过第三二分之一波片、第三时域调制器、第三聚焦透镜后由波长合束器90°转折，再经由第二偏振分光棱镜耦合进入第三齿轮状碱金属蒸气池；第二齿轮状碱金属蒸气池和第三齿轮状碱金属蒸气池同轴布置；输出耦合镜位于第一齿轮状碱金属蒸气池一侧，全反镜位于第三齿轮状碱金属蒸气池一侧。

8.如权利要求4所述的基于分立式齿轮状蒸气池结构的三波长碱金属蒸气激光器，其特征在于，所述光学谐振腔为L型谐振腔，第一泵浦源输出的激光经过第一二分之一波片、第一时域调制器、第一聚焦透镜后经由波长合束器、偏振分光棱镜后耦合进入第一齿轮状碱金属蒸气池；第二泵浦源输出的激光经过第二二分之一波片、第二时域调制器、第二聚焦透镜、波长合束器后，90°转折，再经由偏振分光棱镜后耦合进入第二齿轮状碱金属蒸气池；第三泵浦源输出的激光经过同轴布置的第三二分之一波片、第三时域调制器、第三聚焦透镜和偏振分光棱镜耦合进入第三碱金属蒸气池；第一齿轮状碱金属蒸气池、第二齿轮状碱金属蒸气池同轴布置；输出耦合镜位于第三齿轮状碱金属蒸气池一侧，全反镜位于第二碱金属蒸气池一侧。

9.如权利要求4所述的基于分立式齿轮状蒸气池结构的三波长碱金属蒸气激光器，其特征在于，所述光学谐振腔为直线型谐振腔，第一泵浦源输出的激光经过第一二分之一波片、第一时域调制器、第一聚焦透镜后经由第一偏振分光棱镜90°转折后耦合进入第一碱金属蒸气池；第二泵浦源输出的激光经过同轴布置的第二二分之一波片、第二时域调制器、第二聚焦透镜、波长合束器后，经由第二偏振分光棱镜后耦合进入第二齿轮状碱金属蒸气池；第三泵浦源输出的激光经过第三二分之一波片、第三时域调制器、第三聚焦透镜后由波长合束器90°转折，再经由第二偏振分光棱镜90°转折后耦合进入第三碱金属蒸气池；第一齿轮状碱金属蒸气池、第二齿轮状碱金属蒸气池和第三齿轮状碱金属蒸气池并排同轴布置；输出耦合镜位于第二偏振分光棱镜一侧，全反镜位于第一偏振分光棱镜一侧。

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