[發明專利]開環流動散熱堿金屬蒸氣激光增益發生器

有效

• 申請號: 201810239291.8
• 申請日: 2018-03-22
• 公開（公告）號: CN108321664B
• 公開（公告）日: 2020-04-03
• 發明（設計）人: 楊子寧;王紅巖;華衛紅;許曉軍
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科技大學
• 主分類號: H01S3/03
• 分類號: H01S3/03;H01S3/036;H01S3/034;H01S3/041
• 代理公司: 湖南兆弘專利事務所(普通合伙) 43008
• 代理人: 周長清

本發明公開了一種開環流動散熱堿金屬蒸氣激光增益發生器，包括緩沖氣體儲氣源、氣體壓力與流量控制裝置、氣體凈化裝置、氣體加熱裝置、真空獲得與檢測裝置、混合腔室和激光腔室；緩沖氣體儲氣源內的緩沖氣體經過氣體壓力與流量控制裝置調節后以所需氣壓和流量流經氣體凈化裝置進行提純，純化后的氣體在混合腔室內與堿金屬原子飽和蒸氣均勻混合后流入激光腔室；氣體用來控制激光腔室內的溫度，流出激光腔室并攜帶廢熱的氣體排放至大氣或者排放至其他氣體儲存腔室中。本發明具有系統結構簡單、易于實現均勻加熱和精密溫控等優點。

技術領域

本發明主要涉及到激光器技術領域，特指一種開環流動散熱堿金屬蒸氣激光增益發生器。

背景技術

半導體泵浦堿金屬蒸氣激光器（Diode pumped alkali vapor laser, DPAL）是以堿金屬原子飽和蒸氣作為增益介質，利用其外層價電子能級躍遷實現激光作用的光泵浦氣體激光器。該類激光器結合了半導體激光器高功率輸出和氣體介質流動散熱優勢，具有全電操作、輕質緊湊、量子效率高和大氣傳輸特性好等特點，具備高功率定標放大能力，在激光傳能、航空航天以及軍事等領域具有潛在應用價值。高功率DPAL的核心技術之一是實現氣相增益介質，即堿金屬飽和蒸氣和氦氣等緩沖氣體的混合氣體，在激光增益區域內的均勻快速流動散熱，以維持激光器高功率連續運轉。目前，DPAL增益發生器均采用閉環循環流動結構實現：俄羅斯核技術中心于2012年實現閉環循環流動DPAL裝置（Quantum Electron.42, 2012, 95–98），美國羅格斯技術公司和空軍軍官學院分別于2013年（US Patent, US2014/0023100）提出和2015年（Opt. Commun., 354, 2015, 256–258）實現閉環循環流動DPAL增益發生器。

閉環循環流動DPAL增益發生器在實現激光系統小型化方面存在優勢，但同時存在諸多技術難點和局限性：一是堿金屬原子具有極強的化學反應活性和腐蝕性，微量的水、氧以及有機油氣等的存在即會通過化學反應消耗掉系統內的堿金屬原子，多種非金屬密封材料如膠圈、聚四氟乙烯等也因堿金屬原子的強腐蝕性而無法使用，這對閉環循環系統內的動力裝置——氣體循環泵的實現提出極其苛刻的工程和工藝要求，需要采用耐腐蝕材料并工作于完全封閉和無油運轉的方式，尤其泵體葉輪轉子需要采用無油摩擦軸承，會大大影響系統的連續運轉壽命；二是堿金屬飽和蒸氣壓（即堿金屬原子濃度）決定于循環系統內冷點的溫度，對于具有內結構的氣體循環泵，難以實現均勻加熱，泵體內會因冷點的存在而影響系統可獲得的堿金屬原子濃度；三是對于閉環循環流動結構，需要制冷措施將經過激光增益區域得到溫升的氣體增益介質恢復到其工作溫度，因此需要額外的能源供給，增加了系統總的能耗；四是在高緩沖氣壓條件下，如充入10-20atm的氦氣等，氣體循環泵能夠提供的動力受到氣阻、軸承耐受轉速等諸多因素的限制，其流速可能無法滿足實際功率系統需求。

發明內容

本發明要解決的技術問題就在于：針對現有技術存在的技術問題，本發明提供一種系統結構簡單、易于實現均勻加熱和精密溫控的開環流動散熱堿金屬蒸氣激光增益發生器。

為解決上述技術問題，本發明采用以下技術方案：

一種開環流動散熱堿金屬蒸氣激光增益發生器，包括緩沖氣體儲氣源、氣體壓力與流量控制裝置、氣體凈化裝置、氣體加熱裝置、真空獲得與檢測裝置、混合腔室和激光腔室；所述緩沖氣體儲氣源內的緩沖氣體經過氣體壓力與流量控制裝置調節后以所需氣壓和流量流經氣體凈化裝置進行提純，純化后的氣體在混合腔室內與堿金屬原子飽和蒸氣均勻混合后流入激光腔室；所述氣體用來控制激光腔室內的溫度，流出所述激光腔室并攜帶廢熱的氣體排放至大氣或者排放至其他氣體儲存腔室中。

作為本發明的進一步改進：所述堿金屬元素為鋰、鈉、鉀、銣和銫中的一種或者多種。

作為本發明的進一步改進：所述緩沖氣體是氦氣、氖氣、氬氣、氪氣和氙氣中的一種；或者是氦氣、氖氣、氬氣、氪氣和氙氣中的一種與烴類氣體如甲烷或者乙烷中的一種的混合氣體。