一种碱金属气室、激光发射器及气室更换方法

1.本技术涉及激光术领域，尤其涉及一种碱金属气室、激光发射器及气室更换方法。


背景技术：

2.实现高功率的激光输出一直都是激光技术领域的研究重点。高功率高效率的能量注入、高能量转换效率、高光束质量以及有效的废热管理是高功率激光器的重点发展方向。半导体泵浦碱金属蒸气激光器(diode pumped alkali vapor laser,dpal)采用半导体激光器作为泵浦源，是最易实现的连续而稳定的能量注入方式；碱金属的量子效率高，可以通过增加缓冲气体的方式增宽吸收谱线的方式实现高效的能量吸收；采用碱金属蒸气作为增益介质可以通过流动方式快速散热实现有效的废热管理；在密闭的条件下运行，不采用危险的化学用品，更为安全便捷。凭借其独特的优势，半导体泵浦碱金属蒸气激光器成为一种极具潜力的可实现高功率激光输出的技术方案，未来在激光传能、光电对抗、激光加工与激光医疗等领域都有极大的发展潜力与广阔的发展前景。
3.目前，小功率的半导体泵浦碱金属蒸气激光器最常用的气室是充有铷蒸气与缓冲气体的玻璃泡或装有窗口片的密闭金属腔体，气室两侧被安装有加热片的铝壳包裹，气室架设在两谐振腔镜之间构成谐振腔，经过线宽压窄与光束整形后的半导体激光作为泵浦光注入到谐振腔中，气室中的碱金属原子基态粒子吸收了泵浦光而被激发到2p3/2后迅速弛豫到2p1/2能级，受激发射线上的上能级粒子数得以迅速积累实现粒子数反转，经过自激振荡后最终实现碱金属激光的受激辐射放大输出。
4.在泵浦光连续注入的情况下，密闭的气室很容易积累大量的废热，造成气室温度上升而且气室温度调节系统无法及时控制气室温度保持稳定。若气室内充有烷烃类缓冲气体，此类气体将会与碱金属原子在较高温度下反生化学反应，产生碱金属水合物或碳粒污染玻璃泡的通光面或者密闭金属气室的窗口片，从而损伤光学系统造成激光输出功率的下降甚至无法输出碱金属激光。经常出现损坏、污染的玻璃泡或窗口片将增加实验成本，更换玻璃泡或窗口片也会耽误实验进程。为了延长玻璃泡的使用寿命，实验人员会利用斩光器对泵浦光进行斩波，将连续的泵浦光注入改为脉冲形式的泵浦光注入。所述斩光器是指一种电子控制的风扇式轮叶，在一定转速下，将连续光调制(斩断)成一定频率的周期性断续光，且遮断时间等于透光时间，把恒定光源改成交变的“方波”光源。但是这种方式也存在一些问题：斩光器的尺寸如果与半导体泵浦光不匹配就很容易遮挡部分泵浦光造成泵浦光注入效率下降；斩光器的斩波片的轻微晃动会影响碱金属激光光束质量的稳定；只有泵浦光通过斩光器的期间，泵浦光可以被有效地利用，泵浦光被斩波片完全遮挡期间，泵浦光无法被利用。
5.采用碱金属蒸气循环流动系统可以解决气室内的散热问题，但是循环流动气体的加工技术难度大要求高、组装与调试过程较为复杂、气密性检查工作繁琐而且成本高、体积大，不适用于输出功率为百瓦以下的小功率半导体泵浦碱金属蒸气激光器。


技术实现要素：

6.本技术实施例提供一种碱金属气室、激光发射器及气室更换方法，解决了现有技术中气室积累废热的问题。
7.本技术实施例提供一种碱金属气室，包含承载盘和气室。所述承载盘上有通孔。所述气室安装在承载盘的通孔中。所述承载盘带动通孔在第一位置与远离第一位置往复运动。所述第一位置为激光照射在承载盘上落点的位置。
8.优选地，所述承载盘为转盘，转盘通过水平旋转带动通孔到达第一位置或远离第一位置。
9.优选地，所述承载盘通过电机驱动。
10.进一步地，所述通孔平均分布在其运动的圆周上。
11.进一步地，所述电机调节气室运动的速度。
12.本技术还提供一种碱金属激光器，使用上述碱金属气室，还包含光源、加热装置、第一谐振腔镜和第二谐振腔镜。光源、第一谐振腔镜、可转动碱金属气室、第二谐振腔镜在光线路径上顺序安装。通孔在远离光源时，承载盘的盘面遮挡光源。所述加热装置保持气室内温度不低于设定温度。
13.优选地，所述加热装置为贴在气室上的加热片或加热带。
14.优选地，所述加热装置为温度保持腔。所述温度保持腔为内壁贴有加热片或加热带的腔体。所述承载盘上通孔在远离第一位置时进入温度保持腔。
15.优选地，还包含斩光器。所述斩光器位于光源与第一谐振腔镜之间。所述承载盘运动时，斩光器停止运动且不遮挡光线路径。
16.本技术还提供一种更换碱金属气室的方法，使用上述的碱金属激光器，包含步骤：
17.所述承载盘停止运动，非待更换气室所在通孔正对光源；斩光器以承载盘运动相同频率运转遮挡光线。
18.对待更换气室进行更换。
19.开启承载盘运动，同时停止斩光器运动。
20.本技术实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：
21.碱金属气室采用承载盘带动气室运动，实现了气室内的碱金属蒸气的交替散热，及时解决了废热的积累。碱金属激光器可以及时更换损坏的碱金属蒸气室，操作方便，不用停止发射激光。充分利用泵浦光能量。造价低，适用于脉冲型低功率输出的碱金属激光器。
附图说明
22.此处所说明的附图用来提供对本技术的进一步理解，构成本技术的一部分，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：
23.图1为本技术一种碱金属气室实施例结构图；
24.图2为本技术另一种碱金属气室实施例结构图；
25.图3为本技术一种碱金属激光器实施例结构图；
26.图4为本技术另一种碱金属激光器实施例结构图；
27.图5为本技术一种更换碱金属气室的方法实施例流程图。
具体实施方式
28.为使本技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术具体实施例及相应的附图对本技术技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
29.以下结合附图，详细说明本技术各实施例提供的技术方案。
30.图1为本技术一种碱金属气室实施例结构图。
31.一种碱金属气室，包含承载盘1和气室2。
32.所述承载盘上有通孔。所述气室安装在承载盘的通孔中。
33.所述气室是充有碱金属蒸汽与缓冲气体的玻璃泡或装有窗口片的密闭金属腔体。
34.例如所述承载盘为铝制，通孔的前后面通过安装透明的窗口片进行密封，形成密闭的金属腔体。
35.所述承载盘带动通孔在第一位置与远离第一位置往复运动。
36.所述第一位置为激光照射在承载盘上落点的位置。承载盘带动通孔在第一位置与远离第一位置往复运动，使气室可以在远离光线照射的时候散掉光照气室四所产生的废热。
37.如图1所示，承载盘往复运动的方式可以为：
38.(1)上下平移；
39.(2)旋转；
40.还可以为其他形式的运动，优选地，所述承载盘围绕旋转轴转动。所述承载盘上通孔与旋转轴的距离固定。
41.所述承载盘为转盘，转盘通过水平旋转带动通孔到达第一位置或远离第一位置。
42.例如，所述承载盘为转盘，转盘上距离旋转中心等距离的圆周上有一个和/或多个容纳气室的通孔。转盘旋转带动气室在正对光线照射和远离光线照射往复运动。
43.承载盘旋转的时候，光线会照射到通孔与通孔之间的盘面，这样会使原本连续的光线变成脉冲形式的光，为了让脉冲形式的光频率一致，因此进一步地，所述通孔平均分布在以旋转轴为圆心的圆上。
44.图2为本技术另一种碱金属气室实施例结构图。
45.所述承载盘通过电机3驱动。承载盘由电机控制运动，优选的，所述电机调节气室运动的速度。通过调节气室运动的速度，改变脉冲光的频率和占空比，以此来输出不同脉冲频率、占空比的碱金属激光。
46.例如，转盘中心有圆孔，圆孔用来安装电机，电机带动转盘转动。此电机可以调节转动速度。
47.图3为本技术一种碱金属激光器实施例结构图。
48.本技术还提供一种碱金属激光器，使用上述碱金属气室，还包含光源5、加热装置6、第一谐振腔镜5和第二谐振腔镜7。
49.所述光源、第一谐振腔镜、可转动碱金属气室、第二谐振腔镜在激光路径上顺序安装。
50.所述光源为激光发射器，可以选择泵浦激光，也可以选择其他能生成碱金属激光
的激光，这里不做进一步限定。
51.所述光源正对第一位置。通孔在远离光源时，承载盘的盘面遮挡光源。
52.通孔远离光源时，承载盘的盘面遮挡光源，直至通孔再次正对光源，承载盘承担了原本斩光器的作用，是经过承载盘的激光从连续光变为脉冲光。
53.例如，承载盘位于两谐振腔镜之间。每个气室运动到两谐振腔镜之间，都可构成谐振腔，在形成谐振腔的工作时间内实现泵浦光的吸收与碱金属激光的输出，等当前工作的气室转出谐振腔后在等待时间内释放废热。
54.所述气室需要保证碱金属维持在气态，因此需要有加热装置对气室进行加热。优选地，所述加热装置为贴在气室上的加热片6-1或加热带。
55.例如，加热片或加热带安装在气室外壁上，若安装在光线经过的外壁，则加热片或加热带上有空洞，用于透光。
56.图4为本技术另一种碱金属激光器实施例结构图。
57.所述加热装置还可以为温度保持腔6-2。所述温度保持腔为内壁贴有加热片或加热带的腔体。所述承载盘上通孔在远离第一位置时进入温度保持腔。
58.例如，由于承载盘上通孔会在第一位置和远离第一位置做往复运动，承载盘上通孔远离第一位置的目的是散去光线照射气室产生在气室中碱金属蒸汽中的废热，因此在承载盘上通孔远离第一位置散热时，经过半密封的温度保持腔。温度保持腔为有开口的腔体，腔体内壁上安装加热装置，例如加热片或加热带。承载盘上通孔在经过温度保持腔的时候，废热被散去，但是温度会保持在一个固定值之上，该固定值为碱金属维持蒸汽状态的最低温度。
59.所述加热装置由温度控制器控制温度，用来保持气室内的温度使得碱金属保持蒸气状态而不会发生凝结。
60.还包含斩光器。所述斩光器位于光源与第一谐振腔镜之间。所述承载盘运动时，斩光器停止运动且不遮挡光线路径。
61.多安装一个斩光器，在多于一个气室的承载盘更换气室时，可以一边更换气室，一遍继续产生激光。
62.图5为本技术一种更换碱金属气室的方法实施例流程图。
63.一种更换碱金属气室的方法，使用上述的碱金属激光器，通常用于需长时间工作的情况下，包含步骤：
64.101、所述承载盘停止运动，非待更换气室所在通孔正对光源；斩光器以承载盘运动相同频率运转遮挡光线。
65.由于承载盘停止运动，而通孔上的气室正对光源，此时产生的是连续光而非脉冲光，而斩光器在承载盘停止运动的同时以相同频率转动遮挡光线，使最终从本装置中射出的激光依然是脉冲光。
66.102、对待更换气室进行更换。
67.对需要更换的气室进行更换，并不会影响正对光源的气室工作。
68.103、开启承载盘运动，同时停止斩光器运动。
69.更换完气室后，开启承载盘运动，通知停止斩光器运动，斩波的工作从斩光器转移给承载盘承担。完成气室的更换。
70.以上所述仅为本技术的实施例而已，并不用于限制本技术。对于本领域技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的权利要求范围之内。