半导体泵浦碱金属蒸气激光器的诊断装置及方法与流程

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(diodepumpedalkalivaporlaser，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。

技术实现要素：

(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；

(2)可定量描述碳粒沉积速度，在线实时诊断碱金属激光器的碳粒沉积状况，能够及时发现碳粒沉积，表征碳粒沉积状况。

附图说明

图1为典型的dpal被污染的窗口；

图2为半导体泵浦碱金属蒸气激光器的结构图；

图3为本发明实施例的半导体泵浦碱金属蒸气激光器的诊断装置结构图；

图4为本发明实施例的半导体泵浦碱金属蒸气激光器的诊断方法的流程图。

【符号说明】

11-高反射凹面镜；12-蒸气室；13-偏振片；14-输出耦合镜；15-聚焦镜；16-半导体泵浦光；17-碱金属激光；

21-第一中红外激光器；22-第二中红外激光器；23-斩波器；24-半反半透镜；25-第一反射镜；26-分光片；

31-第一双色膜镜片；32-第二双色膜镜片；33-第二反射镜；

41-第一聚焦镜；42-第二聚焦镜；43-第一光电探测器；44-第二光电探测器；45-信号采集处理装置。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

半导体泵浦碱金属蒸气激光器一般包括半导体光源和谐振腔等部件，谐振腔结构如图2所示，其包括依次同轴设置的高反射凹面镜11、蒸气室12、偏振片13和输出耦合镜14以及聚焦镜15，聚焦镜15用于会聚半导体泵浦光16，提高半导体泵浦光16的泵浦效率，半导体泵浦光16经聚焦镜15聚焦后投射到偏振片13并反射进蒸气室12，蒸气室12内含有烷烃类缓冲气体、氦气和碱金属蒸气，碱金属蒸气作为激光器的增益介质，其在半导体泵浦光16的作用下实现d1线上能级和d1线下能级的粒子数反转，由蒸气室12窗口辐射出碱金属d1线光子，碱金属d1线光子在高反射凹面镜11和输出耦合镜14之间不断反射而实现谐振放大，经由输出耦合镜14实现碱金属激光17的输出。在此过程中，碱金属蒸气和烷烃类缓冲气体在高温和高功率密度激光下会发生反应生成碳粒，碳粒会对蒸气室12的窗口造成污染和损伤，本发明正是对碳粒沉积状况进行定量检测，从而得到半导体碱金属蒸气激光器的窗口污染和损伤情况。

以下以甲烷和铷蒸气为例对本发明实施例进行说明，但本发明不限于此，其同样适用于乙烷、丙烷等其他烷烃类气体，以及钾、铯等其他碱金属蒸气。

本发明的原理为：在蒸气室密闭性良好的情况下，烷烃类气体与碱金属原子反应或作用是影响烷烃类气体粒子数密度的唯一因素，通过检测烷烃类气体的浓度变化可以获得碳粒沉积的速度。

以甲烷作为缓冲气体之一的蒸气室为例，蒸气室内产生碳粒的反应过程如下式：

(1)

由于损失一个甲烷(ch4)分子，产生一个碳(c)原子，碳原子产生的速度和甲烷分子消耗的速度相等，铷蒸气室内t时刻的甲烷浓度c(t)，根据c(t)，得到从t1到t2时刻甲烷浓度的变化，即c(t1)-c(t2)；由于甲烷与铷蒸气产生碳粒的速率很小，可以认为甲烷浓度减少的速率对蒸气室内的总气压pbuffer没有影响，根据分压定理，甲烷浓度的变化引起的甲烷分压变化δp＝pbuffer(c(t1)-c(t2))，根据分压变化，基于理想气体状态方程，得出从t1到t2时刻损失的甲烷，损失甲烷的摩尔数为：

(2)

式中，r为理想气体常数，为8.314472j/(mol*k)，pbuffer为蒸气室气压，t为蒸气室气体温度，v为蒸气室的体积。

根据从t1到t2时刻损失甲烷的摩尔数，得出单位时间内产生碳粒沉积的速度。

(3)

式中，na为阿伏伽德罗常数。因此，通过检测甲烷的浓度变化即可获得碳粒沉积速度，实现对半导体泵浦碱金属激光器的诊断。

图3示出了本发明实施例的半导体泵浦碱金属蒸气激光器的诊断装置，该诊断装置采用差分吸收法检测蒸气室12内甲烷的浓度变化，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的激光的合束光，其中，波长λ1与λ2的差值小于或等于0.5μm，烷烃类气体对其中一个波长激光的吸收系数是另一个波长激光的5倍以上；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甲烷部分吸收；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甲烷的浓度变化，最终得到半导体碱金属蒸气激光器的窗口污染和损伤情况。

光源子系统包括第一中红外激光器21、第二中红外激光器22、斩波器23、半反半透镜24、第一反射镜25和分光片26，其中，第一中红外激光器21、第二中红外激光器22并排放置，斩波器23正对第一中红外激光器21、第二中红外激光器22的激光出口，半反半透镜24和分光片26呈135度、纵向同轴排列在斩波器23前方并正对第一中红外激光器21的激光出口，第一反射镜25呈135度、与半反半透镜24横向同轴放置在斩波器23前方并正对第二中红外激光器22的激光出口。

光路子系统包括探测光路子系统和参考光路子系统，其中，探测光路子系统包括第一双色膜镜片31和第二双色膜镜片32，第一双色膜镜片31和第二双色膜镜片32与半导体泵浦碱金属蒸气激光器谐振腔同轴，第一双色膜镜片31放置于偏振片13和输出耦合镜14之间或蒸气室12和偏振片13之间，第二双色膜镜片32放置于高反射凹面镜11和蒸气室12之间，第一双色膜镜片31与光源子系统的分光片26横向同轴。参考光路子系统包括第二反射镜33，第二反射镜33与光源子系统的分光片26纵向同轴。

信号采集处理子系统包括第一聚焦镜41、第二聚焦镜42、第一光电探测器43和第二光电探测器44和信号采集处理装置45。其中，第一聚焦镜41、第一光电探测器43依次与第二双色膜镜片32横向同轴设置，第二聚焦镜42、第二光电探测器44依次与第二反射镜33横向同轴设置，信号采集处理装置45连接第一光电探测器43和第二光电探测器44。

其中，第一中红外激光器21、第二中红外激光器22作为差分吸收法的激光源，分别产生波长为λ1和波长为λ2的第一激光和第二激光，其中波长λ1等于烷烃类气体在中红外区域的特征峰，波长λ2与波长λ1相差小于或等于0.5μm，烷烃类气体对波长λ1激光的吸收系数是波长λ2激光的5倍以上；斩波器23采用不同的调制频率对第一激光和第二激光进行调制，调制后的第二激光经第一反射镜25反射至半透半反镜，与调制后的第一激光在半透半反镜合束同轴，具有不同调制频率的第一激光和第二激光合束后经分光片26的反射光为探测光，透射光为参考光；第一双色膜镜片31和第二双色膜镜片32在铷激光器d1线波长增透，在探测光波长高反，探测光经第一双色膜镜片31反射后与激光同轴(为了便于展示探测光，图3中的探测光与激光平行，实际装置的探测光与激光同轴)，经偏振片13后进入蒸气室12，蒸气室12内的甲烷吸收部分探测光，探测光经蒸气室12后由第二双色膜镜片32反射至第一聚焦镜41，经第一聚焦镜41聚焦后由第一光电探测器43接收并转换为电信号；参考光经第二反射镜33后由第二聚焦镜42聚焦，聚焦后由第二光电探测器44接收并转换为电信号；信号采集处理装置45接收探测光电信号和参考光电信号，基于傅里叶变换对电信号进行处理获得探测光的光强i(λ1，t)和i(λ2，t)和参考光的光强ir(λ1，t)和ir(λ2，t)，进而得到甲烷的浓度变化，最终得到半导体碱金属蒸气激光器的窗口污染和损伤情况。

其中，高反射凹面镜11在700-900nm高反射，反射率大于99％，其曲率为20cm；输出耦合镜14的输出耦合率为30％；第一中红外激光器21为第二型带间级联分布反馈半导体激光器，激光波长为3.357μm，第二中红外激光器22为第二型带间级联分布反馈半导体激光器，激光波长为3.550μm；斩波器23可以是两个具有扇形缺口的圆盘，驱动装置驱动圆盘旋转调制第一激光和第二激光，斩波器23对第一激光和第二激光的调制频率分别为500hz和750hz，半反半透镜24的反射率为50％，透过率为50％；分光片26的反射率90％，透过率10％，第一双色膜镜片31和第二双色膜镜片32在795nm增透，在3.39μm高反；第一光电探测器43和第二光电探测器44为对中红外波段激光响应较高的碲镉汞器件；信号采集处理装置45包括锁相放大器、分频器、滤波器、检波器、a/d转换器和计算机，对探测光电信号和参考光电信号的放大、分频、模数转换，基于傅里叶变换对电信号处理得到探测光光强i(λ1，t)和i(λ2，t)和参考光光强ir(λ1，t)和ir(λ2，t)，进而得到甲烷的浓度变化，最终得到半导体碱金属蒸气激光器的窗口污染和损伤情况。在信号采集处理装置45还可设置示波器，对接收到的探测光电信号和参考光电信号进行观测。

上述实施例同样适用于乙烷、丙烷等其他烷烃类气体，当适用于乙烷、丙烷时，第一激光波长λ1处于乙烷、丙烷的特征吸收峰；第一双色膜镜片31和第二双色膜镜片32在所选特征吸收峰处高反。上述实施例同样适用于钾、铯等其他碱金属蒸气，当适用于钾、铯等其他碱金属蒸气时，探测光通过第一双色膜镜片31引入蒸气室12，利用第二双色膜镜片32将探测光导出至信号采集处理子系统。第一中红外激光器21、第二中红外激光器22还可以采用其他类型的中红外激光源，如中红外氦氖激光器、光参量振荡器等，选择的激光源的输出波长应可调谐，且存在两个激光波长，波长相近，但是一个波长被烷烃类气体强烈吸收，另一个波长被烷烃类气体吸收较少，通过差分的方法探测烷烃类气体浓度。

在本发明的另一个实施例中，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：利用上述诊断装置得到探测光光强和探测光初始光强。

步骤a具体包括：

子步骤a1：诊断装置的光源子系统产生探测光和参考光，探测光和参考光分别经探测光路子系统和参考光路子系统后由信号采集处理子系统接收，信号采集处理子系统得到探测光光强i(λ1，t)和i(λ2，t)和参考光光强ir(λ1，t)和ir(λ2，t)。

子步骤a2：将信号采集处理子系统得到的参考光光强ir(λ1，t)和ir(λ2，t)作为探测光初始光强i0(λ1，t)和i0(λ2，t)。

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。

以下介绍计算公式的推导过程：

首先基于朗伯比尔定律建立探测光光强和探测光初始光强的关系，

其具体包括：

根据朗伯比尔定律，探测光光强与探测光初始光强的关系为：

i(λ1，t)＝i0(λ1，t)k1(λ1，t)exp[-α(λ1)lc(t)](4)

i(λ2，t)＝i0(λ2，t)k2(λ2，t)exp[-α(λ2)lc(t)](5)

式中，k1(λ1)和k2(λ2)分别为碳粒沉积、窗口污染、镜片吸收等因素引起的衰减系数，由于λ1与λ2非常接近，k1(λ1，t)≈k2(λ2，t)；α(λ1)和α(λ2)分别为一定气压和气体配比下，烷烃类气体对λ1和λ2的吸收系数，通过测量已知气体配比和组分的样品池获得；l为蒸气室12长度。

而后，基于公式(4)和(5)计算烷烃类气体的浓度：

(6)

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c具体包括：

子步骤c1：基于烷烃类气体浓度表达式，计算t1和t2时刻的烷烃类气体浓度c(t1)和c(t2)。

c(t1)和c(t2)的表达式分别为：

子步骤c2：基于t1和t2时刻的烷烃类气体浓度c(t1)和c(t2)、烷烃类气体温度、蒸气室体积、蒸气室气压计算烷烃类气体损失的摩尔数。

烷烃类气体损失的摩尔数n的表达式为：

(7)

其中，r为理想气体常数，为8.314472j/(mol*k)，pbuffer为蒸气室12的气压，可通过气压计测量；t为蒸气室12的气体温度，可通过温度传感器测量；v为蒸气室12的体积。

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。

步骤d具体包括：

子步骤d1：基于烷烃类气体损失的摩尔数得到碳粒沉积的速度。

当烷烃类气体为甲烷时，碳粒沉积的速度n的表达式为：

(8)

其中，na为阿伏伽德罗常数；ndeposit是碳粒沉积速度。

子步骤d2：根据碳粒沉积的速度，得到半导体泵浦碱金属蒸气激光器的诊断结果。

子步骤d2具体包括：

当ndeposit＝0时，认为碳粒没有产生，窗口未被污染和损伤；当ndeposit＞0时，认为碳粒正在产生，窗口被污染并损伤；ndeposit的数值越大，则窗口被污染和损伤的情况越严重。

与上述诊断装置类似，上述实施例同样适用于乙烷、丙烷等其他烷烃类气体，还适用于钾、铯等其他碱金属蒸气，第一中红外激光器21、第二中红外激光器22还可以采用其他类型的中红外激光源，如中红外氦氖激光器、光参量振荡器等。当适用于乙烷、丙烷时，计算碳粒沉积速度时，乙烷按照消耗一个乙烷分子产生两个碳原子计算，丙烷按照消耗一个丙烷分子产生三个碳原子计算。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和步骤的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状和步骤，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：

(1)本发明还可用适用于乙烷、丙烷等其他烷烃类气体，还适用于钾、铯等其他碱金属蒸气，第一中红外激光器、第二中红外激光器还可以采用其他类型的中红外激光源；

(2)光路元件还可采用其他类型的元件，只要能实现相同的功能即可；

(3)本文可提供包含特定值的参数的示范，但这些参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应值；

(4)实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围；

(5)上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

综上所述，本发明提供的半导体泵浦碱金属蒸气激光器的诊断装置和方法，采用差分吸收法检测蒸气室内甲烷的浓度变化，可在线实时诊断碱金属激光器的碳粒沉积状况，能够及时发现碳粒沉积，定量描述碳粒沉积速度，表征碳粒沉积状况。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。