基于碱金属蒸气和缓冲气体填充的激光器及其应用的制作方法

1.本发明涉及高功率激光器技术领域，尤其涉及一种基于碱金属蒸气和缓冲气体填充的激光器及其应用。


背景技术：

2.半导体泵浦碱金属蒸气激光器(dpal)是以碱金属原子饱和蒸气作为增益介质，并用半导体激光器作为泵浦源，利用碱金属原子最外层价电子能级跃迁实现出光的气体激光器。该类激光器兼具半导体激光器高功率输出和气体介质流动散热优势，具有量子效率高、光束质量好、结构紧凑、吸收截面大和热管理问题不突出等优点，是通向高效、电驱动、小质量高功率激光器的有效路径，具备高功率定标放大能力，在航空航天和军事等领域有着广阔的应用前景，被定位为未来高功率激光器的首选方案。
3.循环流动dpal在功率水平上有了长足的发展，但同时存在诸多技术难点和局限性：一是碱金属蒸气和缓冲气体在填充工序较复杂，且缓冲气体更换时需要激光器停止工作，限制了激光器工作效率的进一步提高；二是随着长时间运行，循环管道漏气导致缓冲气体减少，需更换缓冲气体，更换过程中会使碱金属发生污染，需要重新充入碱金属，成本较高；三是循环管道与风机转轴部分相连通，风机部分温度比管道温度低，随着碱金属激光长时间运转，碱金属会聚集在风机转轴内，一方面消耗碱金属，一方面影响风机转轴正常运行。
4.现有技术中，发明专利(申请号为cn 202110860587.3)公开了一种激光二极管泵浦轴向碱金属蒸气激光器及激光产生方法，该激光器包括循环流道结构、碱金属蒸发收集器、循环流道、温度控制环、驱动装置以及泵浦结构等主要器件，其中循环流道内装有预先充好的缓冲气体，使碱金属蒸气更好的吸收泵浦光；虽然该激光器中设有碱金属蒸发收集器可进行碱金属的蒸发和收集，但是循环流道设有风机等复杂器件，其周围温度较循环流道其他部位低，碱金属蒸气容易在此聚集，使得碱金属蒸气难以收集完全；且循环流道内的缓冲气体为预先填充，其更换时仍需停止激光器，不仅使激光器的工作效率降低，还会造成碱金属蒸发收集器内的碱金属污染，需重新更换碱金属，经济效益低。
5.有鉴于此，有必要设计一种改进的基于碱金属蒸气和缓冲气体填充的激光器及其应用，以解决上述问题。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种基于碱金属蒸气和缓冲气体填充的激光器及其应用，通过将填充装置和激光发生装置进行耦合，便于对激光发生装置连续地填充高纯度的缓冲气体和碱金属增益介质，并进行激光发生装置内的碱金属蒸气进行完全回收，可实现碱金属蒸气的高效重复利用，节约成本，具有较高的经济效益。
7.为实现上述发明目的，本发明提供了一种基于碱金属蒸气和缓冲气体填充的激光器，所述激光器包括填充装置、激光发生装置，所述填充装置与所述激光发生装置通过可拆
卸高真空法兰连接，所述填充装置为所述激光发生装置提供碱金属源和缓冲气体；
8.所述激光发生装置包括碱金属源储存室、带温控组件的磁悬浮鼓风机、激光发生室以及连接前述三者的循环管道；
9.所述碱金属源储存室设有加热制冷系统和两个出口，两个出口分别与所述循环管道、填充装置连通，且所述碱金属源储存室与所述循环管道、填充装置之间分别设有第一闸板阀、第二闸板阀，以控制碱金属的填充、蒸发和回收。
10.作为本发明的进一步改进，所述磁悬浮鼓风机包括动力组件、设于所述动力组件外部的密封筒，所述密封筒通过法兰接口与所述循环管道连接，形成密闭系统；所述密封筒的内侧设有加热温控组件，所述加热温控组件包裹所述动力组件，使其温度在所述激光发生装置工作过程中比所述循环管道的温度高。
11.作为本发明的进一步改进，所述填充装置包括碱金属填充单元、与所述碱金属填充单元通过管道连接的缓冲气体填充单元，所述碱金属填充单元与缓冲气体填充单元之间设有第一截止阀；所述碱金属填充单元通过所述可拆卸高真空法兰与所述激光发生装置连接。
12.作为本发明的进一步改进，所述碱金属填充单元包括碱金属源供给瓶，所述碱金属源供给瓶外侧设有加热装置，用于将所述碱金属转换为蒸气供给所述激光发生装置；所述碱金属源供给瓶与所述可拆卸高真空法兰的连接通路上依次设有第三闸板阀、法兰、第四闸板阀。
13.作为本发明的进一步改进，所述缓冲气体填充单元包括真空泵组、至少一组气体供给与净化组件以及连接所述气体供给与净化组件的气体混合腔；所述气体供给与净化组件通过管道与所述真空泵组连接，所述气体供给与净化组件与所述真空泵组之间设有第二截止阀。
14.作为本发明的进一步改进，所述动力组件包括主轴、设于所述主轴外围的转子组合以及与所述主轴连接的叶轮；所述叶轮伸入所述循环管道中，用于驱动所述碱金属蒸气和缓冲气体在所述循环管道内的流动。
15.作为本发明的进一步改进，所述循环管道设有管道加热温控装置，在所述激光发生装置工作过程中，为所述循环管道进行加热控温。
16.作为本发明的进一步改进，所述气体供给与净化组件包括依次连通的储气瓶和气体净化柱，所述气体净化柱通过单向阀门与所述气体混合腔连接；所述储气瓶与所述气体净化柱之间设有调压阀门和气体质量流量计。
17.一种上述任一项所述的基于碱金属蒸气和缓冲气体填充的激光器的应用，所述激光器的应用包括以下步骤：
18.s1、由填充装置为激光发生装置提供缓冲气体和碱金属源，所述碱金属源进入所述激光发生装置的碱金属源储存室，所述缓冲气体进入循环管道，关闭所述碱金属源储存室与所述填充装置之间的第二闸板阀；
19.s2、打开管道加热温控装置对所述循环管道加热，打开加热温控组件为磁悬浮鼓风机加热，打开加热制冷系统为所述碱金属源储存室加热，将所述碱金属源储存室中的碱金属转换为碱金属蒸气，进入所述循环管道；所述加热温控组件的加热温度比所述管道加热温控装置的加热温度高5～10℃；
20.s3、打开所述磁悬浮鼓风机，使所述缓冲气体和所述碱金属蒸气在所述循环管道内流通；开启激光发生室，使其进行出光工作；
21.s4、所述激光器停止工作后，由所述加热制冷系统为所述碱金属源储存室冷却，同时所述加热温控组件、管道加热温控装置继续分别为所述磁悬浮鼓风机、所述循环管道加热，实现所述碱金属蒸气回收进入所述碱金属源储存室。
22.作为本发明的进一步改进，在步骤s1中，所述填充装置为所述激光发生装置提供碱金属源为：先将所述碱金属源储存室与所述循环管道之间的第一闸板阀关闭，将碱金属填充单元与缓冲气体填充单元之间的第一截止阀关闭；然后将碱金属源供给瓶外侧的加热装置打开，其内部的碱金属变为碱金属蒸气进入所述碱金属源储存室，完成所述碱金属源的转移。
23.本发明的有益效果是：
24.1、本发明的一种基于碱金属蒸气和缓冲气体填充的激光器，包括填充装置、激光发生装置，填充装置与激光发生装置通过可拆卸高真空法兰连接，填充装置为激光发生装置提供碱金属源和缓冲气体。本发明通过将填充装置和激光发生装置进行耦合，便于对激光发生装置进行连续化地填充高纯度的缓冲气体和碱金属增益介质，提高了激光器的工作效率；并对激光发生装置循环管道内的碱金属蒸气进行完全回收，实现了碱金属蒸气的高效重复利用，节约了成本，具有较高的经济效益。
25.2、本发明通过在激光发生装置中选用带温控组件的磁悬浮鼓风机，使循环管道内的气体混合物以设定速度循环流动，并带走碱金属蒸气中产生的废热，实现了激光器高效率、高功率激光输出。与传统激光器中的风机相比，磁悬浮鼓风机降低了风机与碱金属的接触，减少了碱金属在风机内的聚集，提高了碱金属蒸气的利用率；且风机表面设有加热温控组件，在激光器工作过程中保证磁悬浮鼓风机的动力组件温度比循环管道高；如此，进一步避免了碱金属在风机内的聚集，保障了风机的正常运行，在碱金属蒸气回收阶段还提高了碱金属蒸气的回收率和回收速率。
26.3、本发明设置了碱金属源供给瓶和碱金属源储存室，先将碱金属转移至碱金属源储存室中，避免了碱金属的污染；并将碱金属源储存室碱金属源回收并与管道隔离，可用于多次更换缓冲气体而不污染浪费碱金属源。另外，本发明可精确控制缓冲气体的压强及其配比，进而精密控制原子吸收谱和泵浦激光线宽匹配，实现了激光器高效高质量的工作。
附图说明
27.图1为本发明基于碱金属蒸气和缓冲气体填充的激光器的结构示意图。
28.图2为本发明激光器中的磁悬浮鼓风机结构示意图。
29.附图标记
30.100-激光器；110-填充装置；1111-碱金属源供给瓶；1112-第三闸板阀；1113-法兰；1114-第四闸板阀；1121-真空泵组；1122-气体混合腔；1123-第二截止阀；1124-储气瓶；1125-气体净化柱；1126-单向阀门；1127-调压阀门；1128-气体质量流量计；1129-压力表；113-第一截止阀；120-激光发生装置；121-碱金属源储存室；122-磁悬浮鼓风机；1221-密封筒；1222-加热温控组件；1223-主轴；1224-转子组合；1225-叶轮；123-激光发生室；1231-激光腔室；1232-激光窗口片；124-循环管道；125-第一闸板阀；126-法兰接口；127-管道压力
计；128-第二闸板阀；129-第五闸板阀；130-可拆卸真空法兰。
具体实施方式
31.为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
32.在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
33.另外，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
34.实施例
35.请参阅图1所示，本发明提供一种基于碱金属蒸气和缓冲气体填充的激光器，激光器100包括填充装置110、激光发生装置120，填充装置110与激光发生装置120通过可拆卸高真空法兰130连接，填充装置110可为激光发生装置120提供碱金属源和缓冲气体。激光发生装置120包括碱金属源储存室121、带温控组件的磁悬浮鼓风机122、激光发生室123以及连接前述三者的循环管道124。碱金属源储存室121设有加热制冷系统和两个出口，两个出口分别与循环管道124、填充装置110连通，且碱金属源储存室121与循环管道124、填充装置110之间分别设有第一闸板阀125、第二闸板阀128，同时碱金属源储存室121与两个出口之间还设有第五闸板阀129，如此，可以控制碱金属的填充、蒸发和回收。本发明的激光器100通过将填充装置110和激光发生装置120进行耦合，便于对激光发生装置120的循环管道124内连续化地填充高纯度的缓冲气体和碱金属增益介质，提高了激光器100的工作效率。
36.其中，循环管道124设有管道加热温控装置，在激光发生装置120工作过程中，为循环管道124进行加热控温；循环管道124上还设有管道压力计127，用来监测循环管道124内的气体压强变化。碱金属源储存室121的加热制冷系统包裹在碱金属源储存室121外，当激光器100工作时，用于将碱金属源加热蒸发，该加热温度比循环管道124的温度低，以缓解碱金属蒸气在其他部位的沉积；当激光器100停止工作时，将碱金属源储存室121进行制冷，用于回收碱金属。本发明用碱金属源储存室121将碱金属蒸气进行回收，并将其与循环管道124隔离，可用于多次更换缓冲气体而不污染浪费碱金属源，节约了成本。
37.请参阅图2所示，磁悬浮鼓风机122包括动力组件、设于动力组件外部的密封筒1221，密封筒1221通过法兰接口126与循环管道124连接，形成密闭系统；密封筒1221的内侧设有加热温控组件1222，加热温控组件1222包裹动力组件，使其温度在激光发生装置120工作过程中比循环管道124的温度高。需要说明的是该密封筒1221的材料耐高温大于300摄氏度，且不与碱金属反应。动力组件包括主轴1223、设于主轴1223外围的转子组合1224以及与主轴1223连接的叶轮1225；叶轮1225伸入循环管道124中，用于驱动碱金属蒸气和缓冲气体在循环管道124内的流动。
38.激光器100在工作过程中必须保证循环管道124内温度均匀，避免碱金属遇到冷点聚集，现有技术中的风机叶轮和主轴连接，叶轮处在管道内和管道温度一致，转轴部分在风
机主体内，温度比管道低，不利于碱金属蒸气的的回收完全。而本发明中采用的磁悬浮鼓风机122为无油磁悬浮鼓风机，可直接降低风机与碱金属的接触，减少碱金属在此处的聚集，使循环管道124内的气体混合物以设定速度循环流动，并带走碱金属蒸气中产生的废热，使循环流动型dpal实现高效率、高功率激光输出。动力组件外部套一层耐高温且不与碱金属反应的密封筒1221，通过法兰接口126与循环管道124连接，且该密封筒1221带有加热温控组件1222，在激光器100工作过程中保证磁悬浮鼓风机122的动力组件温度比循环管道124高。如此，可避免碱金属在风机内的聚集，提高了碱金属蒸气的利用率，保障了风机正常运行，还提高了碱金属蒸气的回收率和回收速率。
39.在一些具体的实施例中，激光发生室123包括激光腔室1231和激光窗口片1232，激光窗口片1232为蓝宝石或者高硼硅玻璃材料，激光窗口片1232带有布鲁斯特角，镀有增透膜。
40.填充装置110包括碱金属填充单元、与碱金属填充单元通过管道连接的缓冲气体填充单元，碱金属填充单元与缓冲气体填充单元之间设有第一截止阀113；碱金属填充单元通过可拆卸高真空法兰130与激光发生装置120连接。
41.具体地，碱金属填充单元包括碱金属源供给瓶1111，碱金属源供给瓶1111外侧设有加热装置，用于将碱金属转换为蒸气供给激光发生装置120；碱金属源供给瓶1111与可拆卸高真空法兰130的连接通路上依次设有第三闸板阀1112、法兰1113、第四闸板阀1114。缓冲气体填充单元包括真空泵组1121、至少一组气体供给与净化组件以及连接气体供给与净化组件的气体混合腔1122；气体供给与净化组件通过管道与真空泵组1121连接，气体供给与净化组件与真空泵组1121之间设有第二截止阀1123。
42.在一些具体的实施例中，法兰1113为玻璃金属转接法兰，碱金属源供给瓶1111可通过该法兰1113进行拆卸，进行更换碱金属源。
43.气体供给与净化组件包括依次连通的储气瓶1124和气体净化柱1125，气体净化柱1125通过单向阀门1126与气体混合腔1122连接；储气瓶1124与气体净化柱1125之间设有调压阀门1127和气体质量流量计1128。其中，储气瓶1124为高硼硅玻璃瓶，且经过高温烘烤除水氧，避免储存碱金属时与碱金属反应。调压阀门1127包括一级或者多级压力调节装置，用于将储气瓶1124内的气压调节至激光器运转所需气压；气体质量流量计1128用于调节和计算缓冲气体的流量。气体净化柱1125用来对缓冲气体做进一步提纯，以避免杂质气体与碱金属蒸气发生化学反应。单向阀门1126用来控制气体单向流通，避免气体回流污染储气源。气体混合腔1122用于将两种或者多种缓冲气体在腔内按照所需配比混合；气体混合腔1122上装有压力表1129，用来精密控制多种混合缓冲气体压强大小。
44.如图1所示，该激光器100的缓冲气体填充单元包括并联的两组气体供给与净化组件；两个储气瓶1124内可储存不同的缓冲气体，两种气体分别经过调压阀门1127和气体质量流量计1128调节后，以所需气压和流量流经气体净化柱1125进行提纯，纯化后的气体在气体混合腔1122内按照一定压强比混合，然后流入激光发生装置120的循环管道124内。如此，可精确控制缓冲气体的压强及其配比，进而精密控制原子吸收谱和泵浦激光线宽匹配。
45.在一些具体的实施例中，在真空泵组1121、气体混合腔1122与气体供给与净化组件的连接通路上设有压力表1129，真空泵组1121和压力表1129将整个系统预抽真空至设定真空值，并探测系统真空度；气体混合腔1122上设置的压力表1129还可以用于气体混合腔
1122中混合气体的真空值。
46.在一些具体的实施例中，本发明激光器100所用的碱金属为锂、钠、钾、铷和铯中的一种或者多种。缓冲气体包括惰性气体(氦气、氖气、氩气、氪气和氙气)中的一种；或者是惰性气体中的一种与烃类气体(甲烷、乙烷、乙烯等)中的一种的混合气体。
47.在一些具体的实施例中，填充装置110完成碱金属和缓冲气体填充后，可关闭可拆卸高真空法兰130两端的阀门，两端法兰口均用盲板遮盖，即可移除填充部分；激光发生装置120可搬到任何场所进行正常出光，填充装置110可继续与其它激光器100的激光发生装置120连接，为其填充介质。
48.本发明还提供了一种基于碱金属蒸气和缓冲气体填充的激光器的应用，激光器100的应用具体包括以下步骤：
49.s1、由填充装置110为激光发生装置120提供缓冲气体和碱金属源，缓冲气体为氦气和甲烷(总压强为p＝900torr，压强比α＝2)，具体为：
50.s11、将碱金属填充到碱金属源供给瓶1111中，关闭第三闸板阀1112；将碱金属源供给瓶1111通过法兰1113连接到填充装置110的管道上；
51.s12、打开第一闸板阀125、第五闸板阀129、第二闸板阀128、第一截止阀113、第二截止阀1123、第四闸板阀1114；打开真空泵组1121对整个系统进行抽真空，通过真空泵组1121与第二截止阀1123之间的压力表1129读取系统真空度，达到10-5
pa后停止抽真空后，关闭第一截止阀113、第二截止阀1123；
52.s13、先填充压强较低的缓冲气体甲烷，打开调压阀门1127，并用气体质量流量计1128监控缓冲气体流量，经过气体净化柱1125净化后进入气体混合腔1122中，用气体混合腔1122上的压力表1129监测缓冲气体腔内压强达到p1后(p1＞p)，关闭调压阀门1127；采用同样的步骤将另一压强较高的缓冲气体氦气进入气体混合腔1122与甲烷混合，压力表1129监测到p2((1+γ)p1)后，关闭调压阀门1127；
53.s14、打开第一截止阀113，气体混合腔1122内的混合气体进入激光发生装置120的循环管道124，用循环管道124的管道压力计127监测管道内压力，待循环管道124内的压力达到所需压强p后，关闭第一闸板阀125、第一截止阀113；
54.s15、打开第三闸板阀1112，用加热装置给碱金属源供给瓶1111加热，将碱金属沿着管道赶入碱金属源储存室121内，关闭第二闸板阀128、第四闸板阀1114；即完成了对激光发生装置120中缓冲气体和碱金属的填充；
55.s2、打开管道加热温控装置对循环管道124加热，打开加热温控组件1222为磁悬浮鼓风机122加热，打开加热制冷系统为碱金属源储存室121加热，将碱金属源储存室121中的碱金属转换为碱金属蒸气，进入循环管道；加热温控组件1222的加热温度比管道加热温控装置的加热温度高5～10℃；
56.s3、打开磁悬浮鼓风机122，使缓冲气体和碱金属蒸气在循环管道124内流通；开启激光发生室123，使其进行出光工作；
57.s4、激光器100停止工作后，由加热制冷系统为碱金属源储存室121冷却，同时加热温控组件1222、管道加热温控装置继续分别为磁悬浮鼓风机122、循环管道124加热，温控组件1222的加热温度比管道加热温控装置的加热温度仍然高5～10℃，实现碱金属蒸气回收进入碱金属源储存室121。
58.具体地，由于测试原因需要频繁改变缓冲气体压强或者配比，另一方面由于管道泄漏，长时间后缓冲气体含量发生变化需进行更换，本发明可实现多次更换缓冲气体更换而不污染浪费碱金属源。具体为采用上述步骤s4将循环管道124内的碱金属蒸气完全回收至碱金属源储存室121中后，调节相应阀门进行缓冲气体的更换，注意换气过程中需关闭第五闸板阀129，如此设置，避免了碱金属源储存室121内的碱金属发生污染；该方法还提高了碱金属的回收率，也避免了循环管道124和磁悬浮鼓风机122在长时间使用后出现碱金属聚集的问题，不仅提高了碱金属蒸气的利用率，节约成本，还避免了不必要的清理工艺。
59.在一些具体的实施例中，由于碱金属源储存室121已经储存一定量的碱金属，在激光发生室123的出光间隙中，碱金属源储存室121可为循环管道124补充碱金属蒸气，无需将激光器停止工作；同样，缓冲气体填充单元的气体混合腔1122中可以储存一定量的混合缓冲气体，在做好系统密封的前提下，在激光发生室123的出光间隙中，通过调节相应阀门，可实现循环管道124内缓冲气体的补充。
60.在一些具体的实施例中，为了保证回收到碱金属源储存室121中碱金属的纯度，可在碱金属源储存室121与第五闸板阀129之间设置过滤板，该过滤板设置开启或关闭的开关，其内部中含有耐高温的还原剂；在碱金属回收的过程中，无需开启过滤板；在碱金属重复利用时，开启过滤板，若碱金属被氧化污染，则该碱金属蒸气通过过滤板时可以被还原净化，得到高纯度的碱金属蒸气。
61.综上所述，本发明提供了一种基于碱金属蒸气和缓冲气体填充的激光器及其应用，该激光器包括填充装置、激光发生装置，填充装置与激光发生装置通过可拆卸高真空法兰连接，填充装置为激光发生装置提供碱金属源和缓冲气体。激光发生装置设有带温控组件的磁悬浮鼓风机，使循环管道内的气体混合物以设定速度循环流动，并带走碱金属蒸气中产生的废热，实现了激光器高效率、高功率激光输出。与传统激光器中的风机相比，磁悬浮鼓风机组件无油且不与碱金属发生反应，减少了碱金属在风机内的消耗，提高了碱金属蒸气的利用率；且风机表面设有加热温控组件，在激光器工作过程中保证磁悬浮鼓风机的动力组件温度比循环管道高；如此，进一步避免了碱金属在风机内的聚集，保障了风机的正常运行，在碱金属蒸气回收阶段还提高了碱金属蒸气的回收率和回收速率。本发明通过将填充装置和激光发生装置进行耦合，便于对激光发生装置连续化地填充高纯度的缓冲气体和碱金属增益介质，提高了激光器的工作效率；并对激光发生装置循环管道内的碱金属蒸气进行完全回收，实现了碱金属蒸气的高效重复利用，节约了成本，具有较高的经济效益。
62.以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。