[发明专利]半导体泵浦碱金属蒸气激光器的诊断装置及方法

说明书

本发明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λ₁与λ₂相近但烷烃类气体对其吸收系数相差较大的探测光和参考光，经探测光路子系统和参考光路子系统，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，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，本发明可以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。

技术领域

本发明涉及激光技术领域，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。

背景技术

半导体泵浦碱金属蒸气激光器(Diode Pumped Alkali vapor Laser，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。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明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

本发明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。

本发明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，本发明具有以下有益效果：

(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；