一種熱管型鹼金屬蒸汽雷射器的製造方法

2023-04-23 02:45:11

一種熱管型鹼金屬蒸汽雷射器的製造方法
【專利摘要】一種熱管型鹼金屬蒸汽雷射器，屬於雷射【技術領域】，為針對現有鹼金屬蒸汽雷射器中窗口上的凝結問題，設計增益單元為熱管結構，左窗口和右窗口設置在管殼兩端且密封；加熱器套在管殼中央，在加熱器兩端等距離處對稱設置左製冷器和右製冷器，在左製冷器和加熱器之間填充左隔熱材料層，在右製冷器和加熱器之間填充右隔熱材料層；管殼內襯有吸液芯，吸液芯的長度從左製冷器左端和右製冷器右端；在左窗口和左製冷器之間設置左充氣口，在右窗口和右製冷器之間分別設置右充氣口；兩充氣口都靠近各自相鄰的窗口；諧振腔由輸出鏡、全反鏡和偏振分束器組成L型，輸出鏡與偏振分束器上方，全反鏡設置在偏振分束器右方；增益單元放置在偏振分束器和全反鏡之間。
【專利說明】 一種熱管型鹼金屬蒸汽雷射器
【技術領域】
[0001]本發明屬於雷射【技術領域】，具體涉及一種熱管型鹼金屬蒸汽雷射器。
【背景技術】
[0002]高效率、高功率、高光束質量的近紅外雷射光源一直是雷射領域內眾多研究人員的研究目標和方向，它在工業、醫療、軍事和科研等多個領域有廣闊應用前景。近幾年，LD泵浦鹼金屬蒸汽雷射器因具有高效率、高功率和高光束質量輸出的潛在優勢，成為雷射領域內的一大研究熱點。
[0003]該雷射器的鹼金屬增益介質是以原子蒸汽形式存在，因而需要密封在一個通光增益池中。由於鹼金屬具有很活潑的化學性質，增益池中不能有氧氣或水蒸汽的存在。通常，在真空環境中首先將固態鹼金屬封入增益池中，然後加熱增益池，使固態鹼金屬變為液態，鹼金屬液體在有限的密閉增益池中蒸發形成鹼金屬蒸汽原子。為了給雷射振蕩提供足夠的增益，必須保持鹼金屬蒸汽以足夠大的原子密度存在。鹼金屬蒸汽原子密度由增益池中的飽和蒸汽壓決定，飽和蒸汽壓由鹼金屬液體與蒸汽接觸的表面溫度決定，溫度越高，飽和蒸汽壓越大。因而，鹼金屬蒸汽雷射器需要工作在一個恆定的溫度環境中。
[0004]然而，在蒸汽壓差作用下，鹼金屬蒸汽原子會由溫度較高的地方向溫度較低的地方移動，當遇到較冷的物體時，鹼金屬蒸汽就會凝結為液體或固體。在不採取任何措施的情況下，增益池的通光窗口由於暴露在外部環境，其溫度較低，會導致鹼金屬蒸汽凝結在窗口上。其不利結果是增大腔內損耗，甚至導致雷射器停止運轉，不利於雷射器的穩定運行。針對該問題，通常的解決辦法是使通光窗口的溫度高於增益池內部鹼金屬蒸汽的溫度，從而避免鹼金屬蒸汽在窗口上的凝結。其技術途徑是對增益池進行分區加熱，即對池體和窗口進行分段加熱，從而使窗口的溫度略高於增益池的溫度。如圖1所示，為分區加熱的一種實例:上下纏繞的加熱絲4和6分別加熱左端窗口 I和右端窗口 3，同樣上下纏繞的加熱絲5加熱增益池的中間池體2，使兩端窗口 I和3的溫度略高於中間2的溫度。但是分區加熱的方式增加了加熱系統的複雜性，尤其對於較短的增益池，這種加熱方式尤為不便，而且在增益池軸向上也難以保證溫度具有很好的均勻性。

【發明內容】

[0005]本發明為解決現有鹼金屬雷射器中鹼金屬蒸汽在窗口上的凝結問題時所面臨的缺點和限制，從而提供一種結構緊湊的、穩定運轉的熱管型鹼金屬蒸汽雷射器。
[0006]本發明的技術方案是:
[0007]—種熱管型鹼金屬蒸汽雷射器，包括增益單元和諧振腔，其特徵是，
[0008]增益單元為熱管結構，左窗口和右窗口設置在管殼兩端且密封；加熱器、左製冷器、右製冷器、左隔溫材料層和右隔溫材料層均為環形，加熱器套在管殼中央，在加熱器兩端等距離處對稱設置左製冷器和右製冷器，在左製冷器和加熱器之間填充左隔熱材料層，在右製冷器和加熱器之間填充右隔熱材料層；管殼內襯有吸液芯，吸液芯的長度從左製冷器左端和右製冷器右端；在左窗口和左製冷器之間設置左充氣口，在右窗口和右製冷器之間分別設置右充氣口 ；兩充氣口都靠近各自相鄰的窗口 ；
[0009]諧振腔呈L型，由輸出鏡、全反鏡和偏振分束器組成，輸出鏡設置在偏振分束器上方，在垂直方向兩者同軸設置；全反鏡設置在偏振分束器右方，在水平方向兩者同軸設置；
[0010]增益單元放置在偏振分束器和全反鏡之間。
[0011]左窗口和右窗口的內外兩側均鍍有泵浦光和振蕩光波段的增透膜。
[0012]輸出鏡鍍有振蕩光波段的部分反射膜，全反鏡鍍有振蕩光和泵浦光波段的全反膜；偏振分束器對泵浦光全透，對振蕩光全反，從而實現對泵浦光和振蕩光的分離。
[0013]左窗口和右窗口可以替換為布儒斯特窗。
[0014]本發明的有益效果是:
[0015]1、鹼金屬蒸汽被限制在不鏽鋼管殼中央，從而避免了鹼金屬蒸汽與窗口的物理接觸，防止在通光窗口上形成斑點而造成腔內損耗增大；
[0016]2、不鏽鋼管殼中的鹼金屬蒸汽一直處於循環流動狀態，因而具有很高的導熱性，能夠把雷射器運轉過程中產生的廢熱很快地傳遞到冷凝段，從而提高了雷射器的熱管理性倉泛;
[0017]3、由於熱管具有優良的等溫性，不鏽鋼管殼內各處的鹼金屬蒸汽原子密度具有很高的均勻性，因而利於實現增益的均勻分布。
[0018]4、採用布儒斯特窗時，諧振腔內振蕩的線偏振光將無反射損耗地通過窗口，從而減小了腔內損耗。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是現有為分區加熱式鹼金屬蒸汽雷射器中的增益單元。
[0020]圖2是本發明熱管型外腔式鹼金屬蒸汽雷射器的結構示意圖。
[0021]圖3是本發明熱管型外腔式鹼金屬蒸汽雷射器的另一結構示意圖。
【具體實施方式】
[0022]下面結合附圖對本發明做進一步詳細說明。
[0023]【具體實施方式】一:如圖2所示，一種熱管型鹼金屬蒸汽雷射器，包括增益單元和諧振腔。
[0024]增益單元為熱管結構，包括管殼15、左窗口 16、右窗口 17、加熱器10、左製冷器8、右製冷器13、吸液芯11、左隔溫材料層9、右隔溫材料層12、左充氣口 7和右充氣口 14。加熱器10、右製冷器13、吸液芯11、左隔溫材料層9和右隔溫材料層12均為環形結構套在管殼15上。
[0025]管殼15為不鏽鋼材料，對鹼金屬蒸汽具有相容性，即在雷射器運行過程中，鹼金屬蒸汽與管殼15不會發生顯著的化學反應或物理變化。左窗口 16和右窗口 17的材料為石英玻璃或藍寶石，通過法蘭與不鏽鋼管殼15固定連接並密封。左窗口 16和右窗口 17的內外兩側均鍍有泵浦光和振蕩光波段的增透膜，從而儘量減少腔內損耗。
[0026]加熱器10套在管殼15中央，從而在管殼15中央形成蒸發段。蒸發段的長度根據泵浦功率大小以及鹼金屬蒸汽對泵浦光的吸收特性設定。蒸發段的溫度由加熱器10精確控制，溫度設定在鹼金屬熔點之上的某一溫度，溫度控制精度為±0.5°C。在加熱器的兩端等間距對稱設置左製冷器8和右製冷器13，從而在管殼15中的相應位置形成冷凝段。冷凝段的長度不能太短，以防止鹼金屬蒸汽得不到充分的凝結而進入到左窗口 16和右窗口 17附近。冷凝段的溫度由左製冷器8和右製冷器13控制在鹼金屬熔點之下的某一溫度。在左側加熱器和製冷器之間填充左隔熱材料層9，在右側加熱器和製冷器之間填充右隔熱材料層12。管殼15內襯有吸液芯11，吸液芯11為毛細材料，同樣對鹼金屬蒸汽具有相容性。吸液芯11的長度剛好到冷凝段。在左窗口 16和左製冷器8之間設置左充氣口 7，在右窗口17和右製冷器13之間分別設置右充氣口 14。兩充氣口都靠近各自相鄰的窗口。兩充氣口各負責充入一種緩衝氣體。在管殼15抽真空下，固態鹼金屬被放置到管殼15中央。
[0027]諧振腔呈L型，由輸出鏡18、全反鏡19和偏振分束器20組成，輸出鏡18設置在偏振分束器20上方，在垂直方向兩者同軸設置；全反鏡19設置在偏振分束器20右方，在水平方向兩者同軸設置。所構成的諧振腔可以為穩定腔，也可以為非穩定腔。輸出鏡18鍍有振蕩光波段的部分反射膜，全反鏡19鍍有振蕩光和泵浦光波段的全反膜。偏振分束器20對泵浦光(線偏振)全透，對振蕩光(正交的線偏振方向)全反，從而實現對泵浦光和振蕩光的分離。增益單元放置在偏振分束器20和全反鏡19之間。
[0028]以銫蒸汽雷射介質為例，實施方式一所述的熱管型外腔式鹼金屬蒸汽雷射器的具體工作過程為:加熱器的溫度設定在高於銫熔點(28.4°C)的某一溫度，製冷器的溫度設定在低於銫熔點的某一溫度。放置在管殼15中央的固態銫金屬被加熱器10加熱後，產生的銫蒸汽在蒸汽壓差的作用下向兩端的窗口移動。當銫蒸汽進入兩端的冷凝段時，銫蒸汽凝結為液態並在吸液芯11的毛細力作用下回流至管殼15中央的蒸發段，重新變為蒸汽形式並不斷往復循環下去。這樣在不鏽鋼管殼15中形成均勻分布的、循環流動的銫蒸汽。泵浦光P通過偏振分束器20後，耦合匯聚進入銫蒸汽中，焦斑位於管殼15的中間位置。泵浦光P通過一次銫蒸汽後，被全反鏡19再次全部反射回銫蒸汽中，進行第二次吸收。在泵浦激勵作用下，銫蒸汽原子實現有效的粒子數反轉，通過諧振腔的反饋作用形成線偏振的894.6nm銫雷射，銫雷射再由輸出鏡18輸出。
[0029]實施方式二:如圖3所示，在實施方式一的基礎上，為了減小雷射器的腔內損耗，將布儒斯特窗應用到增益單元中，管殼15兩端的左窗口 21和右窗口 22為布儒斯特窗，與雷射器諧振腔光軸成一定角度。這樣在諧振腔內振蕩的線偏振光將無反射損耗地通過左右兩窗口，從而減小了腔內損耗。
[0030]以銣蒸汽雷射介質為例，實施方式二所述的熱管型外腔式鹼金屬蒸汽雷射器的具體工作過程為:加熱器的溫度設定在高於銣熔點(39.3°C)的某一溫度，製冷器的溫度設定在低於銣熔點的某一溫度。放置在不鏽鋼管殼15中央的固態銣金屬被加熱器10加熱後，產生的銣蒸汽在蒸汽壓的作用下向兩端的左窗口 21和右窗口 22移動。當銣蒸汽進入兩端的冷凝段時，銣蒸汽凝結為液態並在吸液芯11的毛細力作用下回流至不鏽鋼管殼15中央的蒸發段，重新變為蒸汽形式並不斷往復循環下去。這樣在不鏽鋼管殼15中形成均勻分布的、循環流動的銣蒸汽。泵浦光P通過偏振分束器20後，耦合匯聚進入銣蒸汽中，焦斑位於不鏽鋼管殼15的中間位置。泵浦光P通過一次銣蒸汽後，被全反鏡19再次全部反射回銣蒸汽中，進行第二次吸收。在泵浦激勵作用下，銣蒸汽原子實現有效的粒子數反轉，通過諧振腔的反饋作用形成795.0nm銣雷射，而且腔內的線偏振銣雷射將無損耗地反覆通過左窗 口 21和右窗口 22，銣雷射再由輸出鏡18輸出。
【權利要求】
1.一種熱管型鹼金屬蒸汽雷射器，包括增益單元和諧振腔，其特徵是， 增益單元為熱管結構，左窗口( 16)和右窗口( 17)設置在管殼(15)兩端且密封；加熱器(10)、左製冷器(8)、右製冷器(13)、左隔溫材料層(9)和右隔溫材料層(12)均為環形，加熱器(10)套在管殼(15)中央，在加熱器(10)兩端等距離處對稱設置左製冷器(8)和右製冷器(13)，在左製冷器和加熱器之間填充左隔熱材料層(9)，在右製冷器和加熱器之間填充右隔熱材料層(12);管殼(15)內襯有吸液芯(11)，吸液芯(11)的長度從左製冷器(8)左端和右製冷器(13)右端；在左窗口(16)和左製冷器(8)之間設置左充氣口(7)，在右窗口(17)和右製冷器(13)之間分別設置右充氣口(14);兩充氣口都靠近各自相鄰的窗口 ； 諧振腔呈L型，由輸出鏡(18)、全反鏡(19)和偏振分束器(20)組成，輸出鏡(18)設置在偏振分束器(20)上方，在垂直方向兩者同軸設置；全反鏡(19)設置在偏振分束器(20)右方，在水平方向兩者同軸設置； 增益單元放置在偏振分束器(20)和全反鏡(19)之間。
2.根據權利要求1所述的一種熱管型鹼金屬蒸汽雷射器，其特徵是，左窗口(16)和右窗口(17)的內外兩側均鍍有泵浦光和振蕩光波段的增透膜。
3.根據權利要求1所述的一種熱管型鹼金屬蒸汽雷射器，其特徵是，輸出鏡(18)鍍有振蕩光波段的部分反射膜，全反鏡(19)鍍有振蕩光和泵浦光波段的全反膜；偏振分束器(20)對泵浦光全透，對振蕩光全反，從而實現對泵浦光和振蕩光的分離。
4.根據權利要求1所述的一種熱管型鹼金屬蒸汽雷射器，其特徵是，左窗口(16)和右窗口(17)可以替換為布儒斯特窗。
【文檔編號】H01S3/041GK103928824SQ201410120429
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年3月28日 優先權日:2014年3月28日
【發明者】陳飛, 徐豔, 高飛, 謝冀江, 李殿軍, 楊貴龍, 郭勁 申請人:中國科學院長春光學精密機械與物理研究所