半导体泵浦碱金属蒸气激光器的诊断装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种半导体泵浦碱金属蒸气激光器的诊断装置及方法，该诊断装置的光源子系统产生两路波长λ

【技术实现步骤摘要】
半导体泵浦碱金属蒸气激光器的诊断装置及方法
本专利技术涉及激光
，尤其涉及一种半导体泵浦碱金属蒸气激光器的诊断装置及方法。
技术介绍
半导体泵浦碱金属蒸气激光器(DiodePumpedAlkalivaporLaser，DPAL)是一种新型的光泵浦气体激光器，其具有极高的量子效率，是具有单口径MW级平均功率输出潜力的激光系统之一。DPAL的增益介质是蒸气状态的碱金属(主要指钾(potassium，K)，铷(rubidium，Rb)或铯(cesium，Cs))。自从2003年美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室的Krupke等人提出DPAL的概念以来，DPAL经过了快速发展的时期，目前报道的最高平均功率已达1kW，最高光光效率达62％。然而，碱金属蒸气室窗口片的损伤问题一直困扰着该类激光器，使得该类激光器在长时间工作方面存在困难。DPAL的窗口污染主要有两种污染情形。第一种窗口污染情形是碱金属对窗口的渗透作用。2012年，Quarrie研究了碱金属原子对各种材料窗口片的影响，通过测量与碱金属原子长期放置后窗口片的质量，分析了碱金属原子对各种材料窗口片的渗透作用。第二种是高功率密度激光和高温下，碱金属与烷烃类缓冲气体反应产生的碳粒对窗口的污染。适量烷烃类气体的加入能够加快两上能级之间弛豫速率，有助于提高泵浦光的利用率，对降低激光器阈值和提高光光效率具有非常重要的作用。然而，烷烃类气体在高温和高功率密度激光的作用下，与碱金属反应，产生碳粒，污染窗口。目前，暂没有对第二种窗口污染情形的定量诊断和分析方法，一般通过肉眼观察较长时间激光运行后窗口的碳粒沉积确定是否被污染。图1是典型的DPAL被污染的窗口，窗口的中心区域被污染或损伤，这种方法不能对窗口污染状况进行在线观察，更不能实现定量分析。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题有鉴于此，本专利技术的主要目的在于提供一种半导体泵浦碱金属蒸气激光器的诊断装置及方法，可在线实时诊断碱金属激光器的碳粒沉积状况，定量描述碳粒沉积速度，表征碳粒沉积状况。(二)技术方案本专利技术提供了一种半导体泵浦碱金属蒸气激光器的诊断装置，该诊断装置包括光源子系统、光路子系统和信号采集处理子系统；其中，光源子系统产生探测光和参考光，二者均为两路波长λ1与λ2相近但烷烃类气体对其吸收系数相差较大的激光的合束光；光路子系统包括探测光路子系统和参考光路子系统，其中，探测光经探测光路子系统被烷烃类气体部分吸收；信号采集处理子系统接收光路子系统的探测光和参考光，经光电转换、信号采集和处理得到烷烃类气体的浓度变化，并基于烷烃类气体的浓度变化得到半导体碱金属蒸气激光器的碳粒沉积速度。本专利技术还提供了一种利用上述诊断装置对半导体泵浦碱金属蒸气激光器进行诊断的方法，包括：步骤A：利用诊断装置得到探测光光强和探测光初始光强；步骤B：基于探测光光强和探测光初始光强得到烷烃类气体的浓度；步骤C：基于烷烃类气体浓度、烷烃类气体温度、蒸气室体积、蒸气室气压得到烷烃类气体损失的摩尔数；步骤D：基于烷烃类气体损失的摩尔数得到碳粒沉积的速度，进而得到半导体泵浦碱金属蒸气激光器的诊断结果。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本专利技术具有以下有益效果：(1)采用差分吸收法检测蒸气室内甲烷的浓度变化，检测精度高；(2)可定量描述碳粒沉积速度，在线实时诊断碱金属激光器的碳粒沉积状况，能够及时发现碳粒沉积，表征碳粒沉积状况。附图说明图1为典型的DPAL被污染的窗口；图2为半导体泵浦碱金属蒸气激光器的结构图；图3为本专利技术实施例的半导体泵浦碱金属蒸气激光器的诊断装置结构图；图4为本专利技术实施例的半导体泵浦碱金属蒸气激光器的诊断方法的流程图。【符号说明】11-高反射凹面镜；12-蒸气室；13-偏振片；14-输出耦合镜；15-聚焦镜；16-半导体泵浦光；17-碱金属激光；21-第一中红外激光器；22-第二中红外激光器；23-斩波器；24-半反半透镜；25-第一反射镜；26-分光片；31-第一双色膜镜片；32-第二双色膜镜片；33-第二反射镜；41-第一聚焦镜；42-第二聚焦镜；43-第一光电探测器；44-第二光电探测器；45-信号采集处理装置。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本专利技术进一步详细说明。半导体泵浦碱金属蒸气激光器一般包括半导体光源和谐振腔等部件，谐振腔结构如图2所示，其包括依次同轴设置的高反射凹面镜11、蒸气室12、偏振片13和输出耦合镜14以及聚焦镜15，聚焦镜15用于会聚半导体泵浦光16，提高半导体泵浦光16的泵浦效率，半导体泵浦光16经聚焦镜15聚焦后投射到偏振片13并反射进蒸气室12，蒸气室12内含有烷烃类缓冲气体、氦气和碱金属蒸气，碱金属蒸气作为激光器的增益介质，其在半导体泵浦光16的作用下实现D1线上能级和D1线下能级的粒子数反转，由蒸气室12窗口辐射出碱金属D1线光子，碱金属D1线光子在高反射凹面镜11和输出耦合镜14之间不断反射而实现谐振放大，经由输出耦合镜14实现碱金属激光17的输出。在此过程中，碱金属蒸气和烷烃类缓冲气体在高温和高功率密度激光下会发生反应生成碳粒，碳粒会对蒸气室12的窗口造成污染和损伤，本专利技术正是对碳粒沉积状况进行定量检测，从而得到半导体碱金属蒸气激光器的窗口污染和损伤情况。以下以甲烷和铷蒸气为例对本专利技术实施例进行说明，但本专利技术不限于此，其同样适用于乙烷、丙烷等其他烷烃类气体，以及钾、铯等其他碱金属蒸气。本专利技术的原理为：在蒸气室密闭性良好的情况下，烷烃类气体与碱金属原子反应或作用是影响烷烃类气体粒子数密度的唯一因素，通过检测烷烃类气体的浓度变化可以获得碳粒沉积的速度。以甲烷作为缓冲气体之一的蒸气室为例，蒸气室内产生碳粒的反应过程如下式：(1)由于损失一个甲烷(CH4)分子，产生一个碳(C)原子，碳原子产生的速度和甲烷分子消耗的速度相等，铷蒸气室内t时刻的甲烷浓度C(t)，根据C(t)，得到从t1到t2时刻甲烷浓度的变化，即C(t1)-C(t2)；由于甲烷与铷蒸气产生碳粒的速率很小，可以认为甲烷浓度减少的速率对蒸气室内的总气压Pbuffer没有影响，根据分压定理，甲烷浓度的变化引起的甲烷分压变化ΔP＝Pbuffer(C(t1)-c(t2))，根据分压变化，基于理想气体状态方程，得出从t1到t2时刻损失的甲烷，损失甲烷的摩尔数为：(2)式中，R为理想气体常数，为8.314472J/(mol*K)，Pbuffer为蒸气室气压，T为蒸气室气体温度，V为蒸气室的体积。根据从t1到t2时刻损失甲烷的摩尔数，得出单位时间内产生碳粒沉积的速度。(3)式中，Na为阿伏伽德罗常数。因此，通过检测甲烷的浓度变化即可获得碳粒沉积速度，实现对半导体泵浦碱金属激光器的诊断。图3示出了本专利技术实施例的半导体泵浦碱金属蒸气激光器的诊断装置，该诊断装置采用差分吸收法检测蒸气室12内甲烷的浓度变化，该诊断装置包括光源子系统、光路子系统和信号采集处理子系统。其中，光源子系统产生探测光和参考光，二者均为两路波长λ1与λ2的激光的合束光，其中，波长λ1与λ2的差值小于或等于0.5μm，烷烃类气体对其中一个波长激光的吸收系数是另一个波长激光的5倍以上；光路子系统包括探测光路子系统和参考光路子本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种半导体泵浦碱金属蒸气激光器的诊断装置，特征在于，该诊断装置包括光源子系统、光路子系统和信号采集处理子系统；其中，光源子系统产生探测光和参考光，二者均为两路波长λ

【技术特征摘要】
1.一种半导体泵浦碱金属蒸气激光器的诊断装置，特征在于，该诊断装置包括光源子系统、光路子系统和信号采集处理子系统；其中，光源子系统产生探测光和参考光，二者均为两路波长λ1与λ2相近但烷烃类气体对其吸收系数相差较大的激光的合束光；光路子系统包括探测光路子系统和参考光路子系统，其中，探测光经探测光路子系统被烷烃类气体部分吸收；信号采集处理子系统接收光路子系统的探测光和参考光，经光电转换、信号采集和处理得到烷烃类气体的浓度变化，并基于烷烃类气体的浓度变化得到半导体碱金属蒸气激光器的碳粒沉积速度。2.根据权利要求1所述的诊断装置，其特征在于，光源子系统包括第一中红外激光器(21)、第二中红外激光器(22)、斩波器(23)、半反半透镜(24)、第一反射镜(25)和分光片(26)，其中，第一中红外激光器(21)、第二中红外激光器(22)并排放置，斩波器(23)正对第一中红外激光器(21)、第二中红外激光器(22)的激光出口，半反半透镜(24)和分光片(26)呈135度、纵向同轴排列在斩波器(23)前方并正对第一中红外激光器(21)的激光出口，第一反射镜(25)呈135度、与半反半透镜(24)横向同轴放置在斩波器(23)前方并正对第二中红外激光器(22)的激光出口；第一中红外激光器(21)、第二中红外激光器(22)作为差分吸收法的激光源，分别产生波长为λ1和波长为λ2的第一激光和第二激光，其中波长λ1等于烷烃类气体在中红外区域的特征峰，波长λ2与波长λ1相差小于或等于0.5μm，烷烃类气体对波长λ1激光的吸收系数是波长λ2激光的5倍以上：斩波器(23)采用不同的调制频率对第一激光和第二激光进行调制，调制后的第二激光经第一反射镜(25)反射至半透半反镜，与调制后的第一激光在半透半反镜合束同轴，具有不同调制频率的第一激光和第二激光合束后经分光片(26)的反射光为探测光，透射光为参考光。3.根据权利要求1所述的诊断装置，其特征在于，光路子系统包括探测光路子系统和参考光路子系统，其中，探测光路子系统包括第一双色膜镜片(31)和第二双色膜镜片(32)，第一双色膜镜片(31)和第二双色膜镜片(32)与半导体泵浦碱金属蒸气激光器谐振腔同轴，第一双色膜镜片(31)放置于偏振片(13)和输出耦合镜(14)之间或蒸气室(12)和偏振片(13)之间，第二双色膜镜片(32)放置于高反射凹面镜(11)和蒸气室(12)之间，第一双色膜镜片(31)与光源子系统的分光片(26)横向同轴；参考光路子系统包括第二反射镜(33)，第二反射镜(33)与光源子系统的分光片(26)纵向同轴；第一双色膜镜片(31)和第二双色膜镜片(32)在碱金属激光器D1线波长增透，在探测光波长高反，探测光经第一双色膜镜片(31)反射后与激光同轴，经偏振片(13)后进入蒸气室(12)，蒸气室(12)内的烷烃类气体吸收部分探测光，探测光经蒸气室(12)后由第二双色膜镜片(32)反射至信号采集处理子系统；参考光经第二反射镜(33)反射至信号采集处理子系统。4.根据权利要求1所述的诊断装置，其特征在于，信号采集处理子系统包括第一聚焦镜(41)、第二聚焦镜(42)、第一光电探测器(43)和第二光电探测器(44)和信号采集处理装置(45)，其中，第一聚焦镜(41)、第一光电探测器(43)依次与第二双色膜镜片(32)横向同轴设置，第二聚焦镜(42)、第二光电探测器(44)依次与第二反射镜(33)横向同轴设置，信号采集处理装置(45)连接第一光电探测器(43)和第二光电探测器(44)；探测光经第一聚焦镜(41)聚焦后由第一光电探测器(43)接收并转换为电信号；参考光经第二聚焦镜(42)聚焦后由第二光电探测器(44)接收并转换为电信号；信号采集处理装置(45)接收探测光电信号和参考光电信号，基于傅里叶变换对电信号进行处理获得探测光的光强I(λ1，t)和I(λ2，t)和参考光的光强Ir(λ1，t)和Ir(λ2，t)，进而得到烷烃类的浓度变化，并得到半导体碱金属蒸气激光器的碳粒沉积速度。5.根据权利要求1-4中任一项所述的诊断装置，其特征在于，所述烷烃类气体为甲烷或其他烷烃类气体...

【专利技术属性】
技术研发人员：李志永，谭荣清，黄伟，郑义军，李辉，
申请(专利权)人：中国科学院电子学研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11