本發(fā)明屬于堿金屬蒸氣池的加熱-溫控領域，涉及一種端面泵浦堿金屬蒸氣激光器的梯度式加熱-溫控方法。

背景技術：

半導體激光泵浦堿金屬激光器(Diode Pumped Alkali Vapor Laser,DPAL)是使用半導體激光(LD)激發(fā)呈氣體狀態(tài)的堿金屬激光介質的新型高效激光器。它綜合了氣體激光器和半導體激光泵浦固態(tài)激光器的主要優(yōu)點，同時又克服了各自的主要缺點，具有斯托克斯效率高、光束質量好、熱管理性能優(yōu)良、線寬窄、激光器結構緊湊等諸多優(yōu)點。DPAL在高功率激光應用領域顯示出明顯的技術優(yōu)勢和應用潛力，目前正迅速成為下一代實用化高功率新型激光光源之一。

作為DPAL的增益介質，堿金屬蒸氣可通過加熱含有固態(tài)/液態(tài)堿金屬介質的密閉蒸氣池來獲得，其飽和蒸氣密度隨蒸氣池溫度的升高而急劇增大。迄今為止，國內外研究者在端面泵浦堿金屬蒸氣激光結構中基本采用均勻溫控的方法來獲得預期的激光增益介質密度。但由于原子化的堿金屬有著較大的吸收截面，在對蒸氣池進行均勻溫控時，大部分的泵浦能量會被蒸氣池內輸入端窗附近的激光介質吸收。這帶來了兩方面的問題：一方面，輸入端窗附近區(qū)域的激光介質在吸收泵浦能量時同時會產生大量的熱量，這將導致蒸氣池內某一特定區(qū)域的局部溫度要高于外部溫控系統(tǒng)所設定的工作溫度，進而會影響DPAL的輸出光束質量和光-光轉換效率；另一方面，在高泵浦功率密度注入時，對輸入端窗附近區(qū)域的蒸氣態(tài)激光介質而言，高溫狀態(tài)下處于激光上能級的電子會通過碰撞能量合并效應(Energy Pooling)躍遷至更高能級的激發(fā)態(tài)，并與蒸氣池內的烴類緩沖氣體發(fā)生化學反應，會出現(xiàn)化學沉積污染即“激光雪”現(xiàn)象，影響堿金屬激光器的連續(xù)高功率運轉能力，嚴重時甚至會直接導致蒸氣池端窗的損壞，使激光器無法正常工作。

技術實現(xiàn)要素：

(一)發(fā)明目的

本發(fā)明的目的是：克服現(xiàn)有技術中的缺陷，提供一種端面泵浦堿金屬蒸氣激光器的梯度式加熱-溫控方法，實現(xiàn)對堿金屬蒸氣池進行非均勻梯度式的加熱溫控。

(二)技術方案

為了解決上述技術問題，本發(fā)明提供一種端面泵浦堿金屬蒸氣激光器的梯度式加熱-溫控方法，其包括以下步驟：

1)沿光軸方向將堿金屬蒸氣池劃分成不同的區(qū)域；

2)根據(jù)實際情況，對各區(qū)域設定相應的工作溫度；

3)使用多個獨立的溫度控制器對各區(qū)域進行獨立的溫度控制，使各區(qū)域的溫度分別達到所設定的參數(shù)，實現(xiàn)對蒸氣池的梯度式加熱和溫度控制。

其中，所述步驟1)中，對堿金屬蒸氣池沿光軸方向所劃分區(qū)域的數(shù)量大于或等于2個。

其中，所述步驟3)中，溫度控制器包括加熱器、溫度傳感器和控制系統(tǒng)。

其中，各所述溫度控制器之間通過隔熱模塊隔開。

其中，對堿金屬蒸氣池各區(qū)域設定工作溫度時，使靠近蒸氣池入射端窗區(qū)域的溫度低于其他區(qū)域的溫度。

其中，所述堿金屬蒸氣池沿光軸方向劃分為四個溫度控制區(qū)域。

其中，每個區(qū)域溫控的實施過程為：溫度傳感器實時測量對應區(qū)域的溫度，并將測試結果反饋回控制系統(tǒng)；控制系統(tǒng)將所測量溫度和所設置的工作溫度進行比較，當測量溫度小于工作溫度時，對加熱器發(fā)出加熱指令；當測量溫度大于或等于工作溫度時，對加熱器發(fā)出停止加熱的指令；加熱器根據(jù)控制系統(tǒng)發(fā)送的指令，對對應區(qū)域進行加熱或停止加熱。

其中，所述堿金屬蒸氣池內充入有堿金屬介質，為鈉、鉀、銣或銫金屬。

其中，所述堿金屬蒸氣池內充入有緩沖氣體，為氦氣、甲烷、乙烷、丙烷等單種氣體，或上述氣體的混合組分。

其中，所述堿金屬蒸氣池的前后端窗進行鍍膜處理。

(三)有益效果

上述技術方案所提供的端面泵浦堿金屬蒸氣激光器的梯度式加熱-溫控方法，可實現(xiàn)密閉蒸氣池內堿金屬蒸氣介質密度的非均勻分布；可避免出現(xiàn)大部分的泵浦能量被蒸氣池內輸入端窗附近的激光介質吸收的現(xiàn)象；能減小因工作物質與緩沖氣體的化學反應所導致的蒸氣池端窗的損壞概率；可實現(xiàn)增益介質在蒸氣池光軸方向上對泵浦能量的均勻吸收；有利于提高最終輸出的DPAL的光束質量；適用于構建高功率半導體激光泵浦堿金屬蒸氣激光器。

附圖說明

圖1中a圖和b圖分別是堿金屬密閉蒸氣池1的二維和三維結構圖。

圖2中堿金屬蒸氣池1沿光軸方向被劃分為A、B、C、D四個溫度控制區(qū)域。

圖3中使用了四個相互獨立的溫控系統(tǒng)TC1、TC2、TC3、TC4分別對A、B、C、D四個溫度控制區(qū)域進行溫度控制，a圖和b圖分別是二維和三維結構圖。

圖4是溫控系統(tǒng)TC1的工作流程圖。

圖5是在不同的溫控區(qū)域之間采取隔熱措施的示意圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、內容和優(yōu)點更加清楚，下面結合附圖和實施例，對本發(fā)明的具體實施方式作進一步詳細描述。

為了解決DPAL中大部分泵浦能量被堿金屬蒸氣池入射端窗附近的激光介質吸收而導致的光軸方向上增益分布的不均勻、激光光束質量的降低、光-光轉換效率的降低以及蒸氣池的端窗損壞等問題，本發(fā)明提供一種端面泵浦堿金屬蒸氣激光器的梯度式加熱-溫控方法。

該方法利用堿金屬的飽和蒸氣密度緊密依存于蒸氣池溫度的特點，通過非均勻梯度式的加熱-溫控方法調節(jié)蒸氣池內光軸方向上的粒子數(shù)密度分布，從而實現(xiàn)可調控蒸氣池不同位置處泵浦吸收率的目的。采用本發(fā)明的方法可避免大部分的泵浦能量被蒸氣池內的小區(qū)域激光介質所吸收的現(xiàn)象，從原理上可實現(xiàn)增益介質在蒸氣池光軸方向上對泵浦能量的均勻吸收，這將有利于高光—光轉換效率和高光束質量的DPAL輸出。此外，還可以降低因工作物質與緩沖氣體發(fā)生化學反應而導致蒸氣池端窗損壞的概率。

本發(fā)明方法的具體實現(xiàn)方案包括以下步驟：

1)沿光軸方向將堿金屬蒸氣池劃分成不同的區(qū)域；

2)根據(jù)實際情況，對各區(qū)域設定相應的工作溫度；

3)使用多個獨立的溫度控制器對各區(qū)域進行高效精密的溫度控制，使各區(qū)域的溫度分別達到所設定的參數(shù)，從而實現(xiàn)對蒸氣池的梯度式加熱和溫度控制。

進一步的，對蒸氣池沿光軸方向所劃分區(qū)域的數(shù)量應該大于或等于2個。

進一步的，溫度控制器由加熱器、溫度傳感器和控制電路組成。

進一步的，各溫度控制器之間采取一定的隔熱措施，盡可能減輕熱傳導現(xiàn)象對溫控精度所造成的不利影響。

進一步的，對蒸氣池各區(qū)域設定工作溫度時，使靠近蒸氣池入射端窗區(qū)域的溫度低于其他區(qū)域的溫度。此步驟的實施可減小蒸氣池入射端窗附近的增益介質密度，降低該區(qū)域堿金屬蒸氣介質對泵浦能量的吸收率，同時還能降低該區(qū)域內的工作物質與緩沖氣體發(fā)生化學反應的概率。

其中，堿金屬蒸氣池內充入的堿金屬介質為鈉、鉀、銣或銫金屬。堿金屬蒸氣池內所充入的緩沖氣體可為氦氣、甲烷、乙烷、丙烷等單種氣體，也可為上述氣體的混合組分。堿金屬蒸氣池的前后端窗可進行鍍膜處理。

下面以具體的實例對上述方法做進一步詳細闡述。

圖1為待加熱的堿金屬蒸氣池1的二維和三維結構圖。

圖2中將堿金屬蒸氣池1沿光軸方向劃分為A、B、C、D四個溫度控制區(qū)域，各區(qū)域對應的工作溫度分別為T1、T2、T3、T4。需要指出的是，在實際應用時溫度控制區(qū)域的具體數(shù)量、各溫度控制區(qū)域的面積和工作溫度需要根據(jù)理論模擬和實驗數(shù)據(jù)來確立。在具體實施過程中，可根據(jù)DPAL的激光光束質量、光-光轉換效率等結果對上述諸參量進行調整。

圖3中，使用了四個相互獨立的溫控系統(tǒng)TC1、TC2、TC3、TC4分別對A、B、C、D四個溫度控制區(qū)域進行高效的溫度調控。溫控系統(tǒng)由加熱器、溫度傳感器和伺服控制系統(tǒng)組成。以下以溫控系統(tǒng)TC1為例，簡要闡述溫控的實施過程：①溫度傳感器實時測量蒸氣池的A區(qū)域的溫度T01，并將測試結果反饋回控制系統(tǒng)；②伺服控制系統(tǒng)將溫度T01和所設置的工作溫度T1進行比較，當測量溫度T01小于工作溫度T1時，對加熱器發(fā)出加熱蒸氣池A區(qū)域的指令；當測量溫度T01大于或等于工作溫度T1時，對加熱器發(fā)出停止加熱的指令；③加熱器根據(jù)控制電路發(fā)送的指令，對A區(qū)域進行加熱或停止加熱。溫控系統(tǒng)TC1的工作原理如圖4所示。

為避免在溫控系統(tǒng)TC1、TC2、TC3、TC4之間的熱傳導效應對溫控效果產生負面干擾和影響，A、B、C、D四個溫度控制區(qū)域之間需要采取一定的隔熱措施，具體如圖5所示。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明技術原理的前提下，還可以做出若干改進和變形，這些改進和變形也應視為本發(fā)明的保護范圍。