[发明专利]碱金属激光器增益介质原子浓度和温度检测装置及方法

权利要求书

1.一种碱金属激光器增益介质原子浓度和温度检测装置，其特征在于：所述装置包括半导体泵浦激光器(1)、光束整形和聚焦光学系统(2)、碱金属蒸气增益介质(3)、一号腔镜(4-1)、二号腔镜(4-2)、探针激光器(5)、光学隔离器(6)、偏振调节元件(7)、一号分光镜(8-1)、二号分光镜(8-2)、激光波长计(9)、一号激光功率计(10-1)、二号激光功率计(10-2)、一号偏振分光元件(11-1)、二号偏振分光元件(11-2)、信号处理设备(12)，其中一号腔镜(4-1)和二号腔镜(4-2)构成了激光谐振腔，所述激光谐振腔内含有碱金属蒸气增益介质(3)，所述碱金属蒸气增益介质(3)内包含有工作碱金属原子、示踪原子或者示踪分子及产生碱金属蒸气激光所需的缓冲气体；

半导体泵浦激光器(1)发出的泵浦光经过光束整形和聚焦光学系统(2)后入射至一号腔镜(4-1)、碱金属蒸气增益介质(3)和二号腔镜(4-2)，在一号腔镜(4-1)和二号腔镜(4-2)构成的激光谐振腔反馈作用下产生碱金属蒸气激光输出；

探针激光器(5)发出的线偏振探针激光，首先经过光学隔离器(6)，所述光学隔离器(6)用于防止探针激光入射至后续光学元件时由于散射产生的反馈回光对探针激光器(5)的功率和光谱特性产生负面影响，光学隔离器(6)出射的线偏振探针激光经过偏振调节元件(7)对其空间偏振方向进行调节后，先后经过一号分光镜(8-1)和二号分光镜(8-2)，其中一号分光镜(8-1)将一部分探针激光分至激光波长计(9)，从一号分光镜(8-1)透射出的探针激光经二号分光镜(8-2)，二号分光镜(8-2)将一部分从一号分光镜(8-1)透射出的探针激光分至一号激光功率计(10-1)，从二号分光镜(8-2)透射出的探针激光经过一号偏振分光元件(11-1)反射后入射至碱金属蒸气增益介质(3)内，经过其包含的示踪原子或者示踪分子吸收后，从碱金属蒸气增益介质(3)透射出的探针激光再经过二号偏振分光元件(11-2)反射后入射至二号激光功率计(10-2)；

经过激光波长计(9)、一号激光功率计(10-1)及二号激光功率计(10-2)检测得到的数据均输入信号处理设备(12)，在信号处理设备(12)内完成对入射和透射探针激光功率数据的处理，最后经过软件分析计算得到泵浦前后在泵浦区域内的碱金属增益介质原子浓度和温度变化信息。

2.一种如权利要求1所述碱金属激光器增益介质原子浓度和温度检测装置，其特征在于：所述碱金属激光器增益介质(3)是静止的。

3.一种如权利要求1所述碱金属激光器增益介质原子浓度和温度检测装置，其特征在于：所述碱金属激光器增益介质(3)是流动的。

4.一种如权利要求1所述碱金属激光器增益介质原子浓度和温度检测装置，其特征在于：所述碱金属激光器增益介质(3)中含有的工作碱金属原子是钾、铷或者铯中的一种。

5.一种如权利要求4所述碱金属激光器增益介质原子浓度和温度检测装置，其特征在于：所述碱金属激光器增益介质(3)中含有的示踪原子是锂、钠、钾、铷或者铯中的一种，但其种类应该不同于碱金属激光器增益介质(3)中含有的工作碱金属原子。

6.一种如权利要求1所述碱金属激光器增益介质原子浓度和温度检测装置，其特征在于：所述碱金属激光器增益介质(3)中含有的示踪原子用其他能够利用吸收光谱法进行浓度检测的示踪分子，如甲烷、乙烷以及其他分子来代替。

7.一种如权利要求1或6所述碱金属激光器增益介质原子浓度和温度检测装置，其特征在于：所述探针激光器(5)的线宽应远小于示踪原子或分子吸收谱线的宽度，其波长可以调谐至示踪原子或示踪分子吸收谱线中心频率处。

8.一种如权利要求1所述碱金属激光器增益介质原子浓度和温度检测装置，其特征在于：所述探针激光器(5)为固体激光器、光纤激光器、半导体激光器或者气体激光器中的一种。

9.一种如权利要求1所述碱金属激光器增益介质原子浓度和温度检测装置，其特征在于：所述一号分光镜(8-1)和二号分光镜(8-2)的分光比在4％～10％之间。

10.一种利用如权利要求1所述碱金属激光器增益介质原子浓度和温度的检测方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

S1、向碱金属激光器增益介质(3)内添加处于基态的示踪原子或者示踪分子：

对于在室温下处于气态的示踪原子或者示踪分子，将示踪原子或者示踪分子按照所需浓度直接充入碱金属增益介质腔体内并密封；对于在室温下处于固态或者液态、需要加热以产生所需浓度饱和蒸气的示踪原子或者示踪分子，在向碱金属激光器增益介质腔体内放入碱金属工作物质的同时放入固态或者液态的示踪原子或者示踪分子并密封，通过加热产生气态的示踪原子或者示踪分子；

S2、搭建碱金属蒸气激光产生系统及基于示踪原子或者示踪分子的探针激光吸收光谱测量光路系统：

S2.1、利用步骤S1中充入示踪原子或者示踪分子的碱金属激光器增益介质搭建半导体泵浦碱金属蒸气激光器，所述半导体泵浦碱金属蒸气激光器由半导体泵浦激光器(1)、光束整形和聚焦光学系统(2)、碱金属蒸气增益介质(3)、一号腔镜(4-1)、二号腔镜(4-2)组成，半导体泵浦激光器(1)发出的泵浦光经过光束整形和聚焦光学系统(2)后入射至一号腔镜(4-1)、碱金属蒸气增益介质(3)和二号腔镜(4-2)，在一号腔镜(4-1)和二号腔镜(4-2)构成的激光谐振腔反馈作用下产生碱金属蒸气激光输出；

S2.2、利用探针激光器(5)、光学隔离器(6)、偏振调节元件(7)、一号分光镜(8-1)、二号分光镜(8-2)、激光波长计(9)、一号激光功率计(10-1)、二号激光功率计(10-2)、一号偏振分光元件(11-1)、二号偏振分光元件(11-2)、信号处理设备(12)搭建探针激光吸收光谱测量光路系统，探针激光器(5)发出的探针激光经过光学隔离器(6)、偏振调节元件(7)、一号分光镜(8-1)、二号分光镜(8-2)后再通过一号偏振分光元件(11-1)耦合进由一号腔镜(4-1)和二号腔镜(4-2)构成的激光谐振腔并入射到碱金属蒸气增益介质(3)内，通过调节探针激光器(5)的位置对入射到碱金属蒸气增益介质(3)内的探针激光的空间位置进行调节，使其与由半导体泵浦激光器(1)发出的泵浦激光在碱金属蒸气增益介质(3)内保持光束中心共线，再将经过碱金属蒸气增益介质(3)后透射的探针激光利用二号偏振分光元件(11-2)耦合出激光谐振腔；在此过程中利用一号激光功率计(10-1)检测得到入射探针激光功率P₀；

S3、将探针激光的频率调谐至示踪原子或者示踪分子吸收光谱的中心频率处，在未泵浦条件下，利用激光波长计(9)对探针激光频率进行检测，将探针激光频率精确调谐至示踪原子或者示踪分子吸收光谱中心频率处；

S4、分别在未泵浦和泵浦条件下测量探针激光经过碱金属蒸气增益介质(3)被示踪原子或者示踪分子吸收后的透射功率，通过计算得到介质温度和碱金属原子浓度在泵浦前后的变化信息：

S4.1、在未泵浦条件下，通过采用热电偶测量得到碱金属蒸气增益介质温度为T₁，根据碱金属饱和蒸气压公式计算得到在温度T₁条件下的碱金属原子浓度为n₁；利用二号激光功率计(10-2)测量探针激光经过示踪原子或者示踪分子吸收后的透射功率为P₁；

S4.2、开启半导体泵浦激光器(1)，使其产生泵浦激光，在泵浦光作用下碱金属原子由于量子亏损产生废热导致介质温升，泵浦区域内示踪原子或者示踪分子浓度随之下降，此时利用二号激光功率计(10-2)测量探针激光经过示踪原子或者示踪分子吸收后的透射功率为P₂；

S4.3、根据理论计算可以得到，泵浦区域的介质温度在泵浦后的温度为：T₂＝T₁·[ln(P₀/P₂)/ln(P₀/P₁)]^-2/3；碱金属原子在泵浦后的浓度为：n₂＝n₁·(T₂/T₁)^-1。