高效散热防沉积型碱金属激光器用横流式蒸气池的制作方法

1.本发明属于碱金属激光器技术领域，涉及一种高效散热防沉积型碱金属激光器用横流式蒸气池。


背景技术：

2.半导体激光泵浦碱金属蒸气激光器(dpal)由于具有很高的斯托克斯效率、高光束质量、近红外光谱等优异的特性而得到了广泛的关注和较快的发展。作为典型的三能级激光器，碱金属激光器连续输出的近红外波长分别为：铯-895nm，铷-795nm，钾-770nm。作为一种新型的激光器，dpal结合了化学激光器和固体激光器的优点，而同时又避开了它们的缺点。相比于化学激光器，使用半导体激光泵浦时dpal具有更高的吸收效率。目前碱金属激光器正迅速成为前景广阔的新型高能激光光源。
3.对于静态碱金属激光器，在激光器工作时光路中所产生的热难以快速散去，致使蒸气池内尤其是光路附近易形成局部高温，继而诱发烷烃类缓冲气体与碱金属蒸气原子之间的光化学反应，消耗碱金属蒸气原子，严重影响碱金属激光器的输出性能。而循环流动式碱金属激光器可以利用气体的快速流动提高蒸气池的散热效率，可在一定程度上缓解高功率泵浦情况下内部碱金属蒸气的热效应，而对于更高功率碱金属激光器，散热效率仍需进一步提高。尽管如此，流动式碱金属激光器稳定工作时，碱金属蒸气的动态沉积在整个蒸气池内依然是随机发生的，而在温度较低的部位沉积几率最大。由于蓝宝石玻璃窗口的导热率相比不锈钢材质较低，致使玻璃窗口片处的温度相对较低而更容易沉积碱金属，继而造成窗口污染甚至损毁。因此，如何进一步提高碱金属激光器的散热效率，同时解决玻璃窗口的污染沉积情况，是目前碱金属激光器高功率化所面临的主要问题。
4.为解决上述问题，本发明提出了一种高效散热防沉积型碱金属激光器用横流式蒸气池的设计方案。


技术实现要素：

5.(一)发明目的
6.本发明的目的是：针对目前碱金属激光器高功率化所面临的技术瓶颈问题，提出一种高效散热防沉积型碱金属激光器用横流式蒸气池，在蒸气池内部引入横流风扇，同时在蒸气池侧面内部和外部分别增加沉积片和散热片设计，旨在提高蒸气池散热效率，并有效解决玻璃窗口污染沉积等问题。
7.(二)技术方案
8.为了解决上述技术问题，本发明提供一种高效散热防沉积型碱金属激光器用横流式蒸气池，包括：不锈钢散热片1、不锈钢沉积片2、内部横流风扇3、缓冲气体注入口4、玻璃通光窗口5、玻璃观察窗口6、碱金属源存放室7。
9.其中，内部横流风扇3采用不锈钢材料，安装在蒸气池腔体的中心处，其电机轴承连接处做好转动密封处理以保证蒸气池腔体的气密性，并通过控制内部横流风扇3的转速
来调控蒸气池内的温度及其分布。
10.其中，不锈钢散热片1和不锈钢沉积片2分别设置在碱金属蒸气池外侧壁和内侧壁上，旨在增加蒸气池侧面的比表面积，从而有效提升蒸气池的散热效率。另外，不锈钢沉积片2处于碱金属蒸气池内部温度最低的部位，并且其空间排布与内部流场方向平行，用以沉积过饱和状态的碱金属蒸气，从而避免玻璃窗口的沉积污染问题。
11.其中，蒸气池腔体前后端面上各设置的一个玻璃通光窗口5和一个玻璃观察窗口6，玻璃通光窗口5和玻璃观察窗口6均采用蓝宝石玻璃材料，玻璃通光窗口5两侧镀有对应泵浦和激光波段的增透膜。
12.其中，碱金属激光器的泵浦光和激光从位于蒸气池两个端面的玻璃通光窗口5的中心区域沿着光轴入射和出射。
13.其中，蒸气池腔体侧壁上设置一个缓冲气体注入口4和一个碱金属源存放室7；通过缓冲气体注入口4对蒸气池内部进行抽真空处理和缓冲气体的注入，缓冲气体包括氦气、甲烷和乙烷等；然后，密闭缓冲气体注入口4，以保证蒸气池腔体内气氛及气压的稳定性。碱金属源存放室7位于缓冲气体注入口4相对的一侧，用于存放碱金属源。
14.(三)有益效果
15.上述技术方案所提供的高效散热防沉积型碱金属激光器用横流式蒸气池，具有以下有益效果：
16.(1)本发明中，碱金属蒸气池侧面的不锈钢散热片和沉积片增加了蒸气池侧面的比表面积，能有效提高蒸气池的散热效率。
17.(2)本发明中，碱金属蒸气池采用前后端面加热方式，加热面积大，效率高，可以快速精准调控内部气氛温度，从而控制增益介质碱金属蒸气浓度。
18.(3)本发明中，碱金属蒸气池侧面的不锈钢沉积片增加了蒸气池内侧面的比表面积，同时处于蒸气池内温度最低的部位，可以沉积过饱和的碱金属蒸气，能有效解决玻璃窗口的沉积污染问题。
19.(4)本发明中，通过控制横流风扇转速可以带动蒸气池内部气氛的循环流动，能有效抑制蒸气池内部的局部高温现象，从而避免光化学反应、蒸气池窗口损毁和激光功率下降乃至振荡停止等问题。
附图说明
20.图1是高效散热防沉积型碱金属激光器用横流式蒸气池的正等轴测视图。
21.图2是高效散热防沉积型碱金属激光器用横流式蒸气池的横截面正视图。
具体实施方式
22.为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
23.为了解决碱金属激光器工作中蒸气池内部散热较慢、碱金属蒸气易沉积并污染玻璃窗口等问题，提出一种用于端面泵浦碱金属蒸气激光器的高效散热防沉积型横流式蒸气池。图1为高效散热防沉积型碱金属激光器用横流式蒸气池的正等轴测视图，图2是高效散热防沉积型碱金属激光器用横流式蒸气池的横截面正视图。
24.本发明所涉及的用于端面泵浦碱金属蒸气激光器的高效散热防沉积型横流式蒸气池结构如图1所示，包括：不锈钢散热片1、不锈钢沉积片2、内部横流风扇3、缓冲气体注入口4、玻璃通光窗口5、玻璃观察窗口6、碱金属源存放室7。
25.所述缓冲气体注入口4是蒸气池抽真空和注入缓冲气体的接口，缓冲气体注入完成后关闭缓冲气体注入口4的阀门，以保证蒸气池的密闭性。
26.所述缓冲气体包括但不限于氦气、甲烷、乙烷以及上述混合气体等。
27.蒸气池腔体内外壁上分别布置有温度传感器，以实时监测蒸气池腔体内部温度和外界温度，用于据此调控蒸气池腔体内的工作温度。
28.蒸气池腔体的前后两个圆形端面外部布置有铜加热片，用于对蒸气池进行加热，并配合温度传感器和内部横流风扇3一起控制蒸气池的初始工作温度，以保证精确调控内部气氛中的碱金属原子数密度。
29.内部横流风扇3采用不锈钢材料，安装在蒸气池腔体的中心处，风扇的电机轴承连接处做好转动密封处理以保证蒸气池腔体的气密性，可通过外部电机精确设置内部横流风扇3的转速，并配合蒸气池腔体上布置的温度传感器和加热片一起对不锈钢碱金属蒸气池内部的温度和分布进行精准调控。
30.所述不锈钢散热片1和不锈钢沉积片2均布置在蒸气池侧面，可以增加蒸气池侧面的比表面积，有效提高蒸气池的散热效率，同时保证蒸气池侧面始终是蒸气池的最低温度位置，从而确保蒸气池内部饱和状态的碱金属蒸气只在蒸气池侧面的不锈钢沉积片2上沉积，以解决玻璃通光窗口5的沉积污染问题。
31.本装置工作时，关闭缓冲气体注入口4的阀门，以保证蒸气池的密闭性；开启布置在不锈钢碱金属蒸气池上的温度传感器和加热片电源，设置好初始温度对整个蒸气池进行加热；同时，设置好转速，并启动内部横流风扇3的电机；待到温度和转速均稳定达到设置之后，启动泵浦激光器电源，采用端面泵浦方式调整碱金属激光器的泵浦光和激光从位于蒸气池两个端面的玻璃通光窗口5的中心区域沿着光轴入射和出射。
32.由上述技术方案可以看出，本发明具有以下显著特点：
33.1、本发明所采用的不锈钢散热片和不锈钢沉积片结构，可以有效提高蒸气池的散热效率，同时可以有效避免碱金属蒸气在玻璃窗口处沉积，减小泵浦激光和碱金属激光的传输损耗，增加蒸气池玻璃窗口和蒸气池的使用寿命。
34.2、本发明所采用的温控方式以及内部横流风扇设计，能实时有效监控蒸气池内的气氛温度，可有效抑制蒸气池内的温度梯度分布，在提高腔内温度均匀性的同时可避免局部过高温的出现，从而抑制光化学反应引起的碱金属消耗和激光性能下降等问题。
35.3、本发明所采用的玻璃观察窗口设计，可以实时监控内部横流风扇的工作状态，同时可以监控内部足量的碱金属是否已被氧化等问题，另外也可以作为备用的激光通光窗口使用。
36.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种高效散热防沉积型碱金属激光器用横流式蒸气池，其特征在于，包括不锈钢圆柱体形碱金属蒸气池腔体、蒸气池腔体前后端面上各设置的一个玻璃通光窗口(5)和一个玻璃观察窗口(6)、以及位于蒸气池中轴位置处的不锈钢内部横流风扇(3)；蒸气池腔体侧壁上设置一个缓冲气体注入口(4)，以及一个碱金属源存放室(7)。2.如权利要求1所述的高效散热防沉积型碱金属激光器用横流式蒸气池，其特征在于，所述蒸气池腔体内外壁上分别布置有温度传感器，以实时监测蒸气池腔体内部温度和外界温度。3.如权利要求2所述的高效散热防沉积型碱金属激光器用横流式蒸气池，其特征在于，所述蒸气池腔体两端的圆形端面外部分别设置有加热片，用于对蒸气池腔体内气体进行加热。4.如权利要求3所述的高效散热防沉积型碱金属激光器用横流式蒸气池，其特征在于，所述加热片采用铜片。5.如权利要求3所述的高效散热防沉积型碱金属激光器用横流式蒸气池，其特征在于，所述蒸气池腔体的外侧壁上设置有不锈钢散热片(1)。6.如权利要求5所述的高效散热防沉积型碱金属激光器用横流式蒸气池，其特征在于，所述蒸气池腔体的内侧壁上设置有不锈钢沉积片(2)。7.如权利要求6所述的高效散热防沉积型碱金属激光器用横流式蒸气池，其特征在于，所述玻璃通光窗口(5)和玻璃观察窗口(6)均采用蓝宝石玻璃材料，玻璃通光窗口(5)的两个表面镀有增透膜。8.如权利要求7所述的高效散热防沉积型碱金属激光器用横流式蒸气池，其特征在于，所述内部横流风扇(3)通过外部电机调控转速，电机轴承与内部横流风扇(3)的连接处做转动密封处理，以满足蒸气池腔体的气密性。9.如权利要求8所述的高效散热防沉积型碱金属激光器用横流式蒸气池，其特征在于，所述缓冲气体注入口(4)上设置阀门。10.一种基于权利要求1-9中任一项所述的高效散热防沉积型碱金属激光器用横流式蒸气池在碱金属激光器技术领域中的应用。

技术总结
本发明公开了一种高效散热防沉积型碱金属激光器用横流式蒸气池，其包括不锈钢圆柱体形碱金属蒸气池腔体、蒸气池腔体前后端面上各设置的一个玻璃通光窗口和一个玻璃观察窗口、以及位于蒸气池中轴位置处的不锈钢内部横流风扇；蒸气池腔体侧壁上设置一个缓冲气体注入口，以及一个碱金属源存放室。本发明可以有效抑制蒸气池内玻璃窗口片处的沉积污染现象，可有效提高碱金属激光器的输出性能以及连续工作时长和稳定性，减少蒸气池的损坏几率。减少蒸气池的损坏几率。减少蒸气池的损坏几率。


技术研发人员：安国斐 杨蛟 王浟 蔡和 韩聚洪 刘晓旭 罗清
受保护的技术使用者：西南技术物理研究所
技术研发日：2023.06.13
技术公布日：2023/10/8