碱金属蒸气最大粒子数密度限定密闭池的制作方法

本发明属于碱金属蒸气密闭池技术领域，涉及一种碱金属蒸气最大粒子数密度限定密闭池。

背景技术：

碱金属蒸气密闭池是含有碱金属钾(K)、铷(Rb)、铯(Cs)的密闭蒸气池，它是半导体激光泵浦碱金属激光器(Diode Pumped Alkali Vapor Laser,DPAL)不可缺少的核心器件。常规的碱金属蒸气密闭池内含有足量的碱金属介质，密闭池内碱金属蒸气的粒子数密度会随着密闭池温度的升高或降低而发生改变。通常，在温度小于400℃时，碱金属蒸气的粒子数密度依然不会饱和。

使用常规碱金属蒸气密闭池时存在着两方面的问题。一方面，由于碱金属蒸气激光的输出强度受密闭池温度影响较大，温度的升高或降低都会改变碱金属蒸气粒子数密度并影响激光的稳定输出，因此，在需要DPAL稳定工作时，其密闭蒸气池的温度必须保持某一恒定值，这就对温度控制的精确性和稳定性提出了较高的要求。另一方面，由于碱金属气体介质热传导性能极差，在空间上增益介质对泵浦光的吸收不均匀，因此DPAL在工作时，蒸气密闭池的内部会存在着不可避免的温度梯度分布。更进一步，温度梯度分布会导致密闭池内碱金属蒸气粒子数密度的不均匀分布，这就使得激光输出的光束质量和稳定性变差，激光功率的提高也会受到限制。

技术实现要素：

(一)发明目的

本发明的目的是：克服现有技术中的缺陷，提供一种最大粒子数密度限定的碱金属蒸气密闭池。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种碱金属蒸气最大粒子数密度限定密闭池制作方法，其包括以下步骤：

1)在密闭池内充入预设气压的缓冲气体，实现对碱金属原子吸收谱线的碰撞展宽；

2)采用整体恒温加热的方法，向密闭池内充入碱金属气态介质，其总量与预先确定的基准温度下密闭池内碱金属蒸气介质的总量相同。

其中，所述步骤2)中，预先确定的所述基准温度为密闭池应用于DPAL时，DPAL在最佳工作状态时密闭池的加热温度。

其中，所述步骤1)中，密闭池内充入预设气压的缓冲气体的过程为：

制作含有固态碱金属介质的真空密闭容器1，真空密闭容器1上有带阀门a、b的两个连通导管A、B，连通导管A、B分别连通碱金属蒸气密闭池和缓冲气体源；

打开真空密闭容器1中的连通导管B的阀门b，并通过连通导管B向真空密闭容器1内充入预设压强的缓冲气体。

其中，所述真空密闭容器1的材质为石英玻璃或硼化玻璃。

其中，所述缓冲气体为氦气、甲烷、乙烷、丙烷中的单种气体，或者为上述气体的混合气体。

其中，所述步骤2)中，向密闭池内充入碱金属气态介质的过程为：首先将相互连通的真空密闭容器1和碱金属蒸气密闭池2一起放置于恒温加热装置中，真空密闭容器1中的碱金属介质被加热后由固态变为液态和气态的混合状态，气态的碱金属介质通过连通导管A进入到碱金属蒸气密闭池2中。

其中，所述恒温加热装置的加热温度与步骤1)中设定的基准温度相同。

其中，所述碱金属介质为钠、钾、铷或铯金属。

其中，所述碱金属蒸气密闭池前后端面进行镀膜处理。

本发明还提供一种碱金属蒸气最大粒子数密度限定密闭池，由上述任一项所述的制作方法制得。

(三)有益效果

上述技术方案所提供的碱金属蒸气最大粒子数密度限定密闭池，具有以下优点：

1)蒸气密闭池内的碱金属蒸气粒子数密度具有最大值。当密闭池被加热至基准温度时，蒸气粒子数密度达到最大，并不再随温度的进一步升高而增大。蒸气粒子数密度的最大值需要在制作密闭池前设定完毕。

2)可降低DPAL对温度控制的精度和稳定度的要求，降低生产和研发成本。

3)可提高DPAL输出的稳定性。

4)可缓解DPAL中由粒子数密度分布不均匀所引发的负面效应，提高激光光束质量。

5)可应用于高功率半导体激光泵浦碱金属蒸气激光器。

附图说明

图1带有连通导管的碱金属介质真空密闭容器1。

图2密闭容器1与碱金属蒸气密闭池2连通后的结构示意图。

图3向密闭容器1和碱金属蒸气密闭池2中充入缓冲气体的过程示意图。

图4通过整体加热的方法向碱金属蒸气密闭池2内充入碱金属蒸气。

图5具有最大粒子数密度限定的碱金属蒸气密闭池2。

具体实施方式

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。

为了解决现有技术中的问题，本发明设计思路为：在碱金属蒸气密闭池内充入定量的碱金属介质，从而使得碱金属蒸气粒子数密度在密闭池温度升高至基准温度时达到饱和。在饱和状态达到以后，即使进一步提升密闭池的温度，蒸气粒子数密度依然不会改变，同时温度梯度对粒子数分布的均匀性的影响也会大大降低，激光的光束质量和输出稳定性也将得到相应的提高。

本发明的碱金属蒸气密闭池具有如下特点：密闭池内充入缓冲气体和定量的碱金属介质。所充入的碱金属固态介质的总量与基准温度时密闭池内碱金属气态介质的总量相同。因此，当密闭池的温度低于基准温度时，池内碱金属蒸气粒子数密度随温度的升高而增大；当密闭池的温度大于或等于基准温度时，由于池内充入的碱金属介质总量被限定在一定数值，蒸气粒子数密度将保持不变。

将本发明应用于DPAL中，可消除密闭池温度变化对激光输出稳定性的影响，提高粒子数分布的均匀性和输出激光的光束质量。

本发明的操作步骤如下：

1)在密闭池内充入一定气压的缓冲气体，以实现对碱金属原子吸收谱线的碰撞展宽；2)根据理论模拟或前期实验结果为DPAL设定一个基准温度，通常基准温度为DPAL在最佳工作状态时密闭池的加热温度；3)采用整体恒温加热的方法，向密闭池内充入碱金属气态介质，其总量与基准温度下密闭池内碱金属蒸气介质的总量相同。最后在DPAL工作时，使密闭池的加热温度大于或等于基准温度即可达到限定池内碱金属蒸气粒子数密度的目的。

进一步的，碱金属蒸气密闭池内充入的碱金属介质为钠、钾、铷或铯金属。

碱金属蒸气密闭池的基准温度与DPAL设计的最佳工作温度相关，其数值在50℃到400℃之间。

碱金属蒸气密闭池内充入的缓冲气体为氦气、甲烷、乙烷、丙烷等单种气体，或者为上述气体的混合气体。

碱金属蒸气密闭池前后端面可进行镀膜处理。

在碱金属蒸气密闭池内充入定量碱金属介质的方法为：首先将碱金属蒸气密闭池与存放碱金属介质的容器通过连接器导通，然后将碱金属蒸气密闭池和存放碱金属介质的容器整体加温至基准温度，达到稳定状态后快速切断连接器。

为降低DPAL的温控难度，提高输出的稳定性，改善激光光束质量，本发明具有最大粒子数密度限定的碱金属蒸气密闭池的制作流程包括以下步骤：

1)设定碱金属蒸气密闭池的基准温度。基准温度为所设计的DPAL的最佳的工作温度。基准温度可通过理论模拟计算或前期实验测试结果得到。

2)制作含有固态碱金属介质的真空密闭容器1。其中，要求密闭容器1物理性质稳定，且不能与碱金属介质发生化学反应，密闭容器的材质可选择石英玻璃或硼化玻璃。密闭容器上有带阀门a、b的两个连通导管A、B，连通导管A、B的作用为分别连通碱金属蒸气密闭池和充入缓冲气体。密闭容器1的结构如图1所示。

3)通过连通导管A连接密闭容器1和碱金属蒸气密闭池2。其中，碱金属蒸气密闭池2与密闭容器1连接前为不含有任何物质的真空池。连接过程需要在真空环境中进行，以保证碱金属蒸气密闭池2内不含杂质气体。连接完成后打开连通导管A的阀门a，接通密闭容器1和碱金属蒸气密闭池2。接通后的密闭容器1与碱金属蒸气密闭池2的结构如图2所示。

4)打开密闭容器1中的B连通导管的阀门b，并通过连通导管B向密闭容器1内充入一定压强的缓冲气体。其中，缓冲气体为氦气、甲烷、乙烷、丙烷等单种气体，或者为上述气体的混合气体。缓冲气体的作用为加宽碱金属蒸气吸收谱线宽度和加快碱金属蒸气精细结构的弛豫速率，缓冲气体的压强与DPAL激光器设计参数相关。由于密闭容器1与碱金属蒸气密闭池2相互连通，碱金属蒸气密闭池2内也将会充入相同压强的缓冲气体。缓冲气体充完后及时关闭B连通导管的阀门b。充入缓冲气体的过程中需避免混入空气或其他气体。充入缓冲气体的方法如图3所示。

5)采用整体加热的方法向碱金属蒸气密闭池2内充入碱金属蒸气。首先将相互连通的密闭容器1和碱金属蒸气密闭池2一起放置于恒温加热装置中。恒温加热装置的加热温度与步骤1中设定的基准温度相同。密闭容器1中的碱金属介质被加热后由固态变为液态和气态的混合状态，气态的碱金属介质通过连通导管A进入到碱金属蒸气密闭池2中。因为碱金属蒸气在密闭容器内的饱和压强仅与密闭容器内的温度相关，所以密闭容器1和碱金属蒸气密闭池2中碱金属蒸气的压强相等，碱金属蒸气的粒子数密度也将保持一致。然后待密闭容器1和碱金属蒸气密闭池2的温度达到基准温度并充分稳定后，关闭连通导管A的阀门a。最后可根据实际应用需要，迅速熔断连通导管A，得到具有最大粒子数密度限定的碱金属蒸气密闭池3(图5)。在此步骤中要避免密闭容器1中的碱金属介质以液态或固态形式进入碱金属蒸气池2中。通过整体加热的方法向碱金属蒸气池2内充入碱金属蒸气的方法如图4所示。

本发明的具有最大粒子数密度限定碱金属蒸气密闭池在加热温度的不同时具有以下特点：当加热温度小于基准温度时，本发明的蒸气密闭池与常规的碱金属蒸气密闭池的特性相同，池内蒸气粒子数密度随温度升高而增大；当加热温度大于或等于基准温度时，常规的密闭池内的蒸气粒子数密度会随温度的提升进一步增大，而本发明的密闭池内的蒸气粒子数密度将保持恒定不变，且池内粒子数分布的均匀性受温度梯度影响较小。本发明应用于DPAL时，当密闭池的加热温度大于基准温度时，DPAL系统对密闭池温控精度的要求将大大降低，密闭池内粒子数密度分布不均匀及引起的相关负面效应也会得到较大缓解。

由上述技术方案可以看出，本发明具有以下显著特点：

1、具有最大粒子数密度限定的碱金属蒸气密闭池：密闭池内充入碱金属和缓冲气体，缓冲气体为氦气、甲烷、乙烷或者为上述气体的混合气体；较常规碱金属蒸气密闭池而言，本发明的密闭池内充入的碱金属介质总量较小、且可控制。可应用于半导体激光泵浦碱金属蒸气激光器(Diode Pumped Alkali Vapor Laser,DPAL)中。

2、向碱金属蒸气密闭池内充入微定量碱金属介质的方法：通过整体加热的方法，将真空容器内的碱金属介质以蒸气的形式充入到碱金属蒸气密闭池中去。整体加热温度与基准温度(理论或实验得到的DPAL最佳工作温度)相同。

3、本发明在DPAL里的使用方法：需保证本发明的密闭池的加热温度大于或等于基准温度。此时，密闭池内的碱金属蒸气密度将不随温度的变化而改变，密闭池内碱金属蒸气分布均匀性也将比普通蒸气池较好。本发明可降低DPAL的温控难度，提高DPAL输出稳定性，改善DPAL光束质量。

应用于DPAL，可减小DPAL对温控精度和稳定度的要求，可缓解DPAL工作时密闭池内粒子数的不均匀分布，能有效提高DPAL输出稳定性和输出光束质量，可应用于高功率半导体激光泵浦碱金属蒸气激光器中。

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。