一種增益介質(zhì)自流動(dòng)蒸氣室及dpal激光器的制造方法
【專(zhuān)利摘要】一種增益介質(zhì)自流動(dòng)蒸氣室及包括該蒸氣室的DPAL激光器，該蒸氣室包括：容器，具有相對(duì)設(shè)置的第一端部和第二端部，分別用于增益介質(zhì)的蒸發(fā)和收集；第一熱交換器和第二熱交換器分別設(shè)置在所述第一端部和第二端部，在容器內(nèi)形成腔內(nèi)橫向溫度梯度，實(shí)現(xiàn)增益介質(zhì)由所述第一端部和第二端部中一端部蒸發(fā)并流向另外一端部收集，有效解決了散熱問(wèn)題，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
一種増益介質(zhì)自流動(dòng)蒸氣室及DPAL激光器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及氣體激光技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種增益介質(zhì)自流動(dòng)蒸氣室及DPAL激光器。
【背景技術(shù)】
[0002]DPAL(D1de Pumped Alkali vapor Laser，半導(dǎo)體栗浦堿金屬蒸氣激光器)是一種增益介質(zhì)為蒸氣狀態(tài)堿金屬的新型光栗浦氣體激光器，增益介質(zhì)的溫度通常為100?200°C APAL激光器的增益介質(zhì)主要為蒸氣狀態(tài)的鉀、銣或銫，其能級(jí)結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中，η是最外層電子所在電子層數(shù)，鉀、銣、銫對(duì)應(yīng)的η分別為4、5、6。1^1/2為基態(tài)能級(jí)，ηΡ1/2和ηΡ3/2為最外層電子自旋-軌道相互作用而劈裂產(chǎn)生的激發(fā)態(tài)能級(jí)。兩激發(fā)態(tài)能級(jí)與基態(tài)能級(jí)之間的躍迀分別對(duì)應(yīng)于Dl和D2線。
[0003]DPAL激光器首先于2003年，由勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Krupke等人實(shí)現(xiàn)了堿金屬激光器Dl線激光輸出。這種機(jī)制的堿金屬激光器采用對(duì)應(yīng)D2線波長(zhǎng)的栗浦源栗浦，具有95%以上的量子效率，且增益介質(zhì)是氣體，熱透鏡效應(yīng)不明顯。因此，DPAL激光器被普遍認(rèn)為是一種有望實(shí)現(xiàn)單口徑MW級(jí)激光輸出的新型激光器。其在高功率輸出方面的潛力也得到了國(guó)內(nèi)外眾多高功率研發(fā)機(jī)構(gòu)的關(guān)注。
[0004]目前DPAL激光器按照增益介質(zhì)的流動(dòng)性可以分為增益介質(zhì)靜止和增益介質(zhì)流動(dòng)兩類(lèi)。增益介質(zhì)靜止的DPAL激光器一般通過(guò)腔體與標(biāo)準(zhǔn)法蘭密封的方式將堿金屬及所需的緩沖氣體密封在密閉腔體內(nèi)，而增益介質(zhì)流動(dòng)的DPAL激光器通過(guò)風(fēng)機(jī)強(qiáng)制流動(dòng)的方式使閉環(huán)系統(tǒng)內(nèi)堿金屬蒸氣與緩沖氣體的混合氣體在系統(tǒng)內(nèi)部流動(dòng)。
[0005]目前DPAL激光器存在以下問(wèn)題:
[0006]增益介質(zhì)靜止的DPAL激光器在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中由于栗浦激光產(chǎn)生廢熱而沒(méi)有有效的散熱機(jī)制，導(dǎo)致激光器不能實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作。除此之外，由于增益介質(zhì)靜止，因此在冷卻的過(guò)程中極易導(dǎo)致堿金屬在窗口片表面凝結(jié)造成窗口片的污染。
[0007]使用增益介質(zhì)強(qiáng)制流動(dòng)方式的DPAL激光器雖然可以通過(guò)增益介質(zhì)流動(dòng)有效解決散熱問(wèn)題，但系統(tǒng)龐大且復(fù)雜，不利于工程實(shí)現(xiàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008](一)要解決的技術(shù)問(wèn)題
[0009]鑒于現(xiàn)有方案存在的問(wèn)題，為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)方案的不足，本發(fā)明提出了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單并可以實(shí)現(xiàn)堿金屬蒸氣流動(dòng)散熱的自流動(dòng)堿金屬蒸氣激光器結(jié)構(gòu)。
[0010](二)技術(shù)方案
[0011 ]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種增益介質(zhì)自流動(dòng)蒸氣室，該蒸氣室包括:容器，具有相對(duì)設(shè)置的第一端部和第二端部，分別用于增益介質(zhì)的蒸發(fā)和收集;第一熱交換器和第二熱交換器分別設(shè)置在所述第一端部和第二端部，在容器內(nèi)形成腔內(nèi)橫向梯度，實(shí)現(xiàn)增益介質(zhì)由所述第一端部和第二端部中一端部蒸發(fā)并流向另外一端部收集。
[0012]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供一種DPAL激光器，包括增益介質(zhì)自流動(dòng)蒸氣室、輸出耦合鏡及全反射鏡，輸出耦合鏡及全反射鏡設(shè)置于所述增益介質(zhì)自流動(dòng)蒸氣室兩側(cè)，所述輸出耦合鏡和全反射鏡形成諧振腔，用于出射激光。
[0013](三)有益效果
[0014]從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0015](1)、蒸氣室上下兩端均設(shè)置一熱交換器，其中填裝有堿金屬的一端設(shè)置的熱交換器為加熱狀態(tài)，另一熱交換器設(shè)置為制冷狀態(tài)，在蒸氣室內(nèi)形成橫向的溫度梯度，使得堿金屬蒸氣產(chǎn)生橫向流動(dòng)。本發(fā)明采用簡(jiǎn)單的外部控溫可實(shí)現(xiàn)堿金屬蒸氣的流動(dòng)，有效帶走栗浦過(guò)程中形成的廢熱；
[0016](2)、蒸氣室上下兩端的熱交換器交替處于制熱和制冷狀態(tài)，保持蒸氣室內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定的溫度梯度，可以實(shí)現(xiàn)蒸氣室內(nèi)增益介質(zhì)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定流動(dòng)，進(jìn)而保證堿金屬激光器長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。
[0017](3)、蒸氣室左右兩端的窗口片周?chē)O(shè)置有窗口片加熱器，可避免堿金屬蒸氣在窗口片上冷凝，造成窗口片污染。
【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1為現(xiàn)有技術(shù)中DPAL激光器的能級(jí)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖2為本發(fā)明實(shí)施例中蒸氣室結(jié)構(gòu)的俯視截面示意圖；
[0020]圖3為采用了圖2中蒸氣室的DPAL激光器結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]【主要元件】
[0022]1-輸出親合鏡；2-偏振分光棱鏡；3-全反射鏡；
[0023]10-蒸氣室；11-堿金屬容器；12-第一熱交換器；
[0024]13-第二熱交換器;14-第一激光窗口； 15-第二激光窗口；
[0025]16-第一窗口片加熱器；17-第二窗口片加熱器。
【具體實(shí)施方式】
[0026]本發(fā)明某些實(shí)施例于后方將參照所附附圖做更全面性地描述，其中一些但并非全部的實(shí)施例將被示出。實(shí)際上，本發(fā)明的各種實(shí)施例可以許多不同形式實(shí)現(xiàn)，而不應(yīng)被解釋為限于此數(shù)所闡述的實(shí)施例;相對(duì)地，提供這些實(shí)施例使得本發(fā)明滿(mǎn)足適用的法律要求。
[0027]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0028]本發(fā)明實(shí)施例提供一種蒸氣室10，如圖2示出了蒸氣室10的俯視截面示意圖，其包括堿金屬容器11、第一熱交換器12、第二熱交換器13、第一激光窗口 14、第二激光窗口 15、第一窗口片加熱器16以及第二窗口片加熱器17。堿金屬容器11為一對(duì)稱(chēng)的四通結(jié)構(gòu)，采用由對(duì)堿金屬化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的材料制成，如不銹鋼、玻璃等，優(yōu)選為不銹鋼。左右兩端部用于光路傳播，左右兩端部使用焊有窗口片的CF(Conflat Flang，金屬銅圈密封)法蘭進(jìn)行密封。上下兩端部用于堿金屬的存放、蒸發(fā)和/或收集，在手套箱等潔凈環(huán)境中填裝堿金屬后通過(guò)盲板CF法蘭進(jìn)行密封。
[0029]經(jīng)密封的上下兩端部分別設(shè)置第一熱交換器12和第二熱交換器13，用于形成堿金屬容器11腔內(nèi)橫向溫度梯度，使堿金屬蒸氣實(shí)現(xiàn)流動(dòng)。左右兩端部分別設(shè)置有給左右兩端部的第一激光窗口 14、第二激光窗口 15加熱的第一窗口片加熱器16、第二窗口片加熱器17。
[0030]其中第一窗口片加熱器16、第二窗口片加熱器17優(yōu)選為環(huán)形加熱器，分別圍繞第一激光窗口 14、第二激光窗口 15設(shè)置。
[0031]盡管本實(shí)施例中，堿金屬容器11采用四通結(jié)構(gòu)，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不限于此，堿金屬容器11還可以采用正方體、長(zhǎng)方體等常規(guī)形狀。
[0032]本實(shí)施例中蒸氣室10工作時(shí)，堿金屬容器11上端部填充堿金屬材料，將相應(yīng)的第一熱交換器12設(shè)置為加熱狀態(tài)，加熱溫度遠(yuǎn)高于堿金屬材料熔點(diǎn)溫度甚至可以高于沸點(diǎn)溫度(對(duì)于鉀、銣、銫的熔點(diǎn)溫度分別為6 3 °C、3 9 °C、2 8.4 °C，沸點(diǎn)溫度分別為7 7 4 °C、6 8 8 °C、678.4°C)，使得堿金屬受熱生成堿金屬蒸氣，堿金屬容器11下端部設(shè)置的第二熱交換器13設(shè)置為制冷狀態(tài)，制冷溫度位于堿金屬材料熔點(diǎn)以下，使得堿金屬容器11下端部附近的堿金屬蒸氣冷凝為固態(tài)的堿金屬，保留在堿金屬容器11下端部。在加熱端的第一熱交換器12和制冷端的第二熱交換器13的作用下，蒸氣室內(nèi)橫向產(chǎn)生第一溫度梯度，梯度方向C如圖2所示(梯度方向指向高溫區(qū))，堿金屬蒸氣在堿金屬容器11內(nèi)橫向流動(dòng)，這種流動(dòng)可以帶走栗浦過(guò)程中形成的廢熱，流動(dòng)方向A如圖2所示。給左右兩端部的第一激光窗口 14、第二激光窗口 15加熱的第一窗口片加熱器16、第二窗口片加熱器17亦處于加熱狀態(tài)，加熱溫度略高于加熱端的第一熱交換器12，此舉可以在不影響橫向溫度梯度的基礎(chǔ)上，使制冷端的第二熱交換器13成為封閉系統(tǒng)內(nèi)唯一的冷阱，在確保高溫堿金屬蒸氣在第二熱交換器13處冷凝的同時(shí)，也防止堿金屬蒸氣在窗口片上冷凝，造成窗口片污染。保持上述工作狀態(tài)，直到堿金屬容器11上端部的堿金屬蒸發(fā)殆盡，隨后，第一熱交換器12和第二熱交換器13對(duì)換工作狀態(tài)，即第二熱交換器13設(shè)置為加熱狀態(tài)，加熱溫度遠(yuǎn)高于堿金屬材料熔點(diǎn)溫度甚至可以高于沸點(diǎn)溫度(對(duì)于鉀、銣、銫的熔點(diǎn)溫度分別為63 °C、39 °C、28.4°C，沸點(diǎn)溫度分別為774°C、688 °C、678.4°C )，使之前冷凝在堿金屬容器11下端部的堿金屬受熱生成堿金屬蒸氣，第一熱交換器12設(shè)置為制冷狀態(tài)，制冷溫度位于堿金屬材料熔點(diǎn)以下，使得堿金屬容器11上端部附近的堿金屬蒸氣冷凝為固態(tài)的堿金屬。在加熱端的第二熱交換器13和制冷端的第一熱交換器12的作用下，蒸氣室內(nèi)橫向產(chǎn)生第二溫度梯度，梯度方向D如圖2所示(梯度方向指向高溫區(qū))，堿金屬蒸氣在堿金屬容器11內(nèi)橫向流動(dòng)，這種流動(dòng)可以帶走栗浦過(guò)程中形成的廢熱，流動(dòng)方向B如圖2所示，第一窗口片加熱器16、第二窗口片加熱器17依然處于加熱狀態(tài)，加熱溫度略高于加熱端的第二熱交換器13。直到堿金屬容器11下端部的堿金屬蒸發(fā)殆盡，第一熱交換器12和第二熱交換器13再次對(duì)換工作狀態(tài)，保證了蒸氣室10在長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)保持堿金屬蒸氣的流動(dòng)狀態(tài)。
[0033]本發(fā)明實(shí)施例還提供一種DPAL激光器，如圖3所示，包括依次排列的輸出耦合鏡1、偏振分光棱鏡2、蒸氣室10以及全反射鏡3 ο具有偏振特性的栗浦光沿栗浦光光路，經(jīng)偏振分光棱鏡2反射，由蒸氣室10的堿金屬容器11左端部的第一激光窗口 14進(jìn)入蒸氣室10中，將處于S1/2能級(jí)上的堿金屬原子栗浦至P3/2能級(jí)，處于P3/2能級(jí)的堿金屬原子弛豫到P1/2能級(jí)，與S1/2能級(jí)形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。在輸出耦合鏡I和全反鏡3構(gòu)成的諧振腔內(nèi)，激光在腔內(nèi)諧振放大，最后經(jīng)由輸出親合鏡I輸出。
[0034]應(yīng)注意，附圖中各部件的形狀和尺寸不反映真實(shí)大小和比例，而僅示意本發(fā)明實(shí)施例的內(nèi)容。
[0035]實(shí)施例中提到的方向用語(yǔ)，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，僅是參考附圖的方向，并非用來(lái)限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。并且上述實(shí)施例可基于設(shè)計(jì)及可靠度的考慮，彼此混合搭配使用或與其他實(shí)施例混合搭配使用，即不同實(shí)施例中的技術(shù)特征可以自由組合形成更多的實(shí)施例。
[0036]需要說(shuō)明的是，在附圖或說(shuō)明書(shū)正文中，未繪示或描述的實(shí)現(xiàn)方式，均為所屬技術(shù)領(lǐng)域中普通技術(shù)人員所知的形式，并未進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。此外，上述對(duì)各元件和方法的定義并不僅限于實(shí)施例中提到的各種具體結(jié)構(gòu)、形狀或方式，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)單地更改或替換，例如:
[0037](I)在縱向?qū)ΨQ(chēng)的位置放置兩個(gè)熱交換器替代橫向放置的兩個(gè)熱交換器，用以形成蒸氣室內(nèi)縱向的溫度梯度。
[0038](2)栗浦光可以直接通過(guò)輸出耦合鏡入射諧振腔內(nèi)，輸出耦合鏡上鍍有對(duì)栗浦光全透而對(duì)出射激光半反半透的膜。
[0039]以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種增益介質(zhì)自流動(dòng)蒸氣室，其特征在于，包括: 容器(11 )，具有相對(duì)設(shè)置的第一端部和第二端部，分別用于增益介質(zhì)的蒸發(fā)和收集； 第一熱交換器(12)和第二熱交換器(13)分別設(shè)置在所述第一端部和第二端部，在容器(11)內(nèi)形成腔內(nèi)橫向溫度梯度，實(shí)現(xiàn)增益介質(zhì)由所述第一端部和第二端部中一端部蒸發(fā)并流向另外一端部收集。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的增益介質(zhì)自流動(dòng)蒸氣室，其特征在于，還包括: 所述第一熱交換器(12)和第二熱交換器(13)中一個(gè)熱交換器的溫度T蒸發(fā)高于所述增益介質(zhì)的熔點(diǎn)溫度，用于增益介質(zhì)在所述第一端部和第二端部中一端部所述蒸發(fā)，另一個(gè)熱交換器溫度Tig低于所述增益介質(zhì)的熔點(diǎn)溫度，用于增益介質(zhì)在另一端部凝結(jié)收集。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的增益介質(zhì)自流動(dòng)蒸氣室，其特征在于，還包括: 所述一端部的增益介質(zhì)蒸發(fā)殆盡時(shí)，所述第一熱交換器(12)和第二熱交換器(13)對(duì)換工作溫度。4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一所述的增益介質(zhì)自流動(dòng)蒸氣室，其特征在于: 所述容器(11)還包括相對(duì)設(shè)置的第三端部和第四端部； 所述增益介質(zhì)自流動(dòng)蒸氣室還包括第一激光窗口( 14)和第二激光窗口( 15)分別設(shè)置于所述第三端部和第四端部，用于透射栗浦光和激光。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的增益介質(zhì)自流動(dòng)蒸氣室，其特征在于，還包括: 第一窗口片加熱器(16)和第二窗口片加熱器(17)，分別設(shè)置在所述第一激光窗口( 14)和第二激光窗口(15)周?chē)?，用于?duì)所述第一激光窗口( 14)和第二激光窗口(15)進(jìn)行加熱，避免增益介質(zhì)在所述第一激光窗口(14)和第二激光窗口(15)處凝結(jié)。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的增益介質(zhì)自流動(dòng)蒸氣室，其特征在于，還包括: 所述第一窗口片加熱器(16)和第二窗口片加熱器(17)的溫度均大于所述一個(gè)熱交換器的溫度T纖>7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的增益介質(zhì)自流動(dòng)蒸氣室，其特征在于: 所述第一端部和第二端部采用盲板CF法蘭密封;和/或， 所述第三端部和第四端部采用具有窗口片的CF法蘭密封。8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的增益介質(zhì)自流動(dòng)蒸氣室，其特征在于: 所述增益介質(zhì)自流動(dòng)蒸氣室為對(duì)稱(chēng)四通結(jié)構(gòu);和/或， 所述增益介質(zhì)為堿金屬蒸氣。9.一種DPAL激光器，包括權(quán)利要求1至8中任一所述的增益介質(zhì)自流動(dòng)蒸氣室，其特征在于，還包括: 輸出耦合鏡(I)及全反射鏡(3)設(shè)置于所述增益介質(zhì)自流動(dòng)蒸氣室兩側(cè)，所述輸出耦合鏡(I)和全反射鏡(3)形成諧振腔，用于出射激光。10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的DPAL激光器，其特征在于，還包括: 偏振分光棱鏡(2)，設(shè)置在所述輸出耦合鏡(I)與所述增益介質(zhì)自流動(dòng)蒸氣室之間，用于栗浦光入射至所述增益介質(zhì)自流動(dòng)蒸氣室激發(fā)激光。
【文檔編號(hào)】H01S3/227GK106025774SQ201610603259
【公開(kāi)日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年7月28日
【發(fā)明人】譚榮清, 黃偉, 李志永, 韓高策, 李輝
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所