本發(fā)明涉及激光技術領域，尤其涉及一種半導體泵浦堿金屬蒸氣激光器的診斷裝置及方法。

背景技術：

半導體泵浦堿金屬蒸氣激光器(diodepumpedalkalivaporlaser，dpal)是一種新型的光泵浦氣體激光器，其具有極高的量子效率，是具有單口徑mw級平均功率輸出潛力的激光系統(tǒng)之一。dpal的增益介質(zhì)是蒸氣狀態(tài)的堿金屬(主要指鉀(potassium，k)，銣(rubidium，rb)或銫(cesium，cs))。自從2003年美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的krupke等人提出dpal的概念以來，dpal經(jīng)過了快速發(fā)展的時期，目前報道的最高平均功率已達1kw，最高光光效率達62％。然而，堿金屬蒸氣室窗口片的損傷問題一直困擾著該類激光器，使得該類激光器在長時間工作方面存在困難。

dpal的窗口污染主要有兩種污染情形。第一種窗口污染情形是堿金屬對窗口的滲透作用。2012年，quarrie研究了堿金屬原子對各種材料窗口片的影響，通過測量與堿金屬原子長期放置后窗口片的質(zhì)量，分析了堿金屬原子對各種材料窗口片的滲透作用。第二種是高功率密度激光和高溫下，堿金屬與烷烴類緩沖氣體反應產(chǎn)生的碳粒對窗口的污染。適量烷烴類氣體的加入能夠加快兩上能級之間弛豫速率，有助于提高泵浦光的利用率，對降低激光器閾值和提高光光效率具有非常重要的作用。然而，烷烴類氣體在高溫和高功率密度激光的作用下，與堿金屬反應，產(chǎn)生碳粒，污染窗口。目前，暫沒有對第二種窗口污染情形的定量診斷和分析方法，一般通過肉眼觀察較長時間激光運行后窗口的碳粒沉積確定是否被污染。圖1是典型的dpal被污染的窗口，窗口的中心區(qū)域被污染或損傷，這種方法不能對窗口污染狀況進行在線觀察，更不能實現(xiàn)定量分析。

技術實現(xiàn)要素：

(一)要解決的技術問題

有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種半導體泵浦堿金屬蒸氣激光器的診斷裝置及方法，可在線實時診斷堿金屬激光器的碳粒沉積狀況，定量描述碳粒沉積速度，表征碳粒沉積狀況。

(二)技術方案

本發(fā)明提供了一種半導體泵浦堿金屬蒸氣激光器的診斷裝置，該診斷裝置包括光源子系統(tǒng)、光路子系統(tǒng)和信號采集處理子系統(tǒng)；其中，光源子系統(tǒng)產(chǎn)生探測光和參考光，二者均為兩路波長λ1與λ2相近但烷烴類氣體對其吸收系數(shù)相差較大的激光的合束光；光路子系統(tǒng)包括探測光路子系統(tǒng)和參考光路子系統(tǒng)，其中，探測光經(jīng)探測光路子系統(tǒng)被烷烴類氣體部分吸收；信號采集處理子系統(tǒng)接收光路子系統(tǒng)的探測光和參考光，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換、信號采集和處理得到烷烴類氣體的濃度變化，并基于烷烴類氣體的濃度變化得到半導體堿金屬蒸氣激光器的碳粒沉積速度。

本發(fā)明還提供了一種利用上述診斷裝置對半導體泵浦堿金屬蒸氣激光器進行診斷的方法，包括：步驟a：利用診斷裝置得到探測光光強和探測光初始光強；步驟b：基于探測光光強和探測光初始光強得到烷烴類氣體的濃度；步驟c：基于烷烴類氣體濃度、烷烴類氣體溫度、蒸氣室體積、蒸氣室氣壓得到烷烴類氣體損失的摩爾數(shù)；步驟d：基于烷烴類氣體損失的摩爾數(shù)得到碳粒沉積的速度，進而得到半導體泵浦堿金屬蒸氣激光器的診斷結(jié)果。

(三)有益效果

從上述技術方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果：

(1)采用差分吸收法檢測蒸氣室內(nèi)甲烷的濃度變化，檢測精度高；

(2)可定量描述碳粒沉積速度，在線實時診斷堿金屬激光器的碳粒沉積狀況，能夠及時發(fā)現(xiàn)碳粒沉積，表征碳粒沉積狀況。

附圖說明

圖1為典型的dpal被污染的窗口；

圖2為半導體泵浦堿金屬蒸氣激光器的結(jié)構(gòu)圖；

圖3為本發(fā)明實施例的半導體泵浦堿金屬蒸氣激光器的診斷裝置結(jié)構(gòu)圖；

圖4為本發(fā)明實施例的半導體泵浦堿金屬蒸氣激光器的診斷方法的流程圖。

【符號說明】

11-高反射凹面鏡；12-蒸氣室；13-偏振片；14-輸出耦合鏡；15-聚焦鏡；16-半導體泵浦光；17-堿金屬激光；

21-第一中紅外激光器；22-第二中紅外激光器；23-斬波器；24-半反半透鏡；25-第一反射鏡；26-分光片；

31-第一雙色膜鏡片；32-第二雙色膜鏡片；33-第二反射鏡；

41-第一聚焦鏡；42-第二聚焦鏡；43-第一光電探測器；44-第二光電探測器；45-信號采集處理裝置。

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。

半導體泵浦堿金屬蒸氣激光器一般包括半導體光源和諧振腔等部件，諧振腔結(jié)構(gòu)如圖2所示，其包括依次同軸設置的高反射凹面鏡11、蒸氣室12、偏振片13和輸出耦合鏡14以及聚焦鏡15，聚焦鏡15用于會聚半導體泵浦光16，提高半導體泵浦光16的泵浦效率，半導體泵浦光16經(jīng)聚焦鏡15聚焦后投射到偏振片13并反射進蒸氣室12，蒸氣室12內(nèi)含有烷烴類緩沖氣體、氦氣和堿金屬蒸氣，堿金屬蒸氣作為激光器的增益介質(zhì)，其在半導體泵浦光16的作用下實現(xiàn)d1線上能級和d1線下能級的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，由蒸氣室12窗口輻射出堿金屬d1線光子，堿金屬d1線光子在高反射凹面鏡11和輸出耦合鏡14之間不斷反射而實現(xiàn)諧振放大，經(jīng)由輸出耦合鏡14實現(xiàn)堿金屬激光17的輸出。在此過程中，堿金屬蒸氣和烷烴類緩沖氣體在高溫和高功率密度激光下會發(fā)生反應生成碳粒，碳粒會對蒸氣室12的窗口造成污染和損傷，本發(fā)明正是對碳粒沉積狀況進行定量檢測，從而得到半導體堿金屬蒸氣激光器的窗口污染和損傷情況。

以下以甲烷和銣蒸氣為例對本發(fā)明實施例進行說明，但本發(fā)明不限于此，其同樣適用于乙烷、丙烷等其他烷烴類氣體，以及鉀、銫等其他堿金屬蒸氣。

本發(fā)明的原理為：在蒸氣室密閉性良好的情況下，烷烴類氣體與堿金屬原子反應或作用是影響烷烴類氣體粒子數(shù)密度的唯一因素，通過檢測烷烴類氣體的濃度變化可以獲得碳粒沉積的速度。

以甲烷作為緩沖氣體之一的蒸氣室為例，蒸氣室內(nèi)產(chǎn)生碳粒的反應過程如下式：

(1)

由于損失一個甲烷(ch4)分子，產(chǎn)生一個碳(c)原子，碳原子產(chǎn)生的速度和甲烷分子消耗的速度相等，銣蒸氣室內(nèi)t時刻的甲烷濃度c(t)，根據(jù)c(t)，得到從t1到t2時刻甲烷濃度的變化，即c(t1)-c(t2)；由于甲烷與銣蒸氣產(chǎn)生碳粒的速率很小，可以認為甲烷濃度減少的速率對蒸氣室內(nèi)的總氣壓pbuffer沒有影響，根據(jù)分壓定理，甲烷濃度的變化引起的甲烷分壓變化δp＝pbuffer(c(t1)-c(t2))，根據(jù)分壓變化，基于理想氣體狀態(tài)方程，得出從t1到t2時刻損失的甲烷，損失甲烷的摩爾數(shù)為：

(2)

式中，r為理想氣體常數(shù)，為8.314472j/(mol*k)，pbuffer為蒸氣室氣壓，t為蒸氣室氣體溫度，v為蒸氣室的體積。

根據(jù)從t1到t2時刻損失甲烷的摩爾數(shù)，得出單位時間內(nèi)產(chǎn)生碳粒沉積的速度。

(3)

式中，na為阿伏伽德羅常數(shù)。因此，通過檢測甲烷的濃度變化即可獲得碳粒沉積速度，實現(xiàn)對半導體泵浦堿金屬激光器的診斷。

圖3示出了本發(fā)明實施例的半導體泵浦堿金屬蒸氣激光器的診斷裝置，該診斷裝置采用差分吸收法檢測蒸氣室12內(nèi)甲烷的濃度變化，該診斷裝置包括光源子系統(tǒng)、光路子系統(tǒng)和信號采集處理子系統(tǒng)。其中，光源子系統(tǒng)產(chǎn)生探測光和參考光，二者均為兩路波長λ1與λ2的激光的合束光，其中，波長λ1與λ2的差值小于或等于0.5μm，烷烴類氣體對其中一個波長激光的吸收系數(shù)是另一個波長激光的5倍以上；光路子系統(tǒng)包括探測光路子系統(tǒng)和參考光路子系統(tǒng)，其中，探測光經(jīng)探測光路子系統(tǒng)被甲烷部分吸收；信號采集處理子系統(tǒng)接收光路子系統(tǒng)的探測光和參考光，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換、信號采集和處理得到甲烷的濃度變化，最終得到半導體堿金屬蒸氣激光器的窗口污染和損傷情況。

光源子系統(tǒng)包括第一中紅外激光器21、第二中紅外激光器22、斬波器23、半反半透鏡24、第一反射鏡25和分光片26，其中，第一中紅外激光器21、第二中紅外激光器22并排放置，斬波器23正對第一中紅外激光器21、第二中紅外激光器22的激光出口，半反半透鏡24和分光片26呈135度、縱向同軸排列在斬波器23前方并正對第一中紅外激光器21的激光出口，第一反射鏡25呈135度、與半反半透鏡24橫向同軸放置在斬波器23前方并正對第二中紅外激光器22的激光出口。

光路子系統(tǒng)包括探測光路子系統(tǒng)和參考光路子系統(tǒng)，其中，探測光路子系統(tǒng)包括第一雙色膜鏡片31和第二雙色膜鏡片32，第一雙色膜鏡片31和第二雙色膜鏡片32與半導體泵浦堿金屬蒸氣激光器諧振腔同軸，第一雙色膜鏡片31放置于偏振片13和輸出耦合鏡14之間或蒸氣室12和偏振片13之間，第二雙色膜鏡片32放置于高反射凹面鏡11和蒸氣室12之間，第一雙色膜鏡片31與光源子系統(tǒng)的分光片26橫向同軸。參考光路子系統(tǒng)包括第二反射鏡33，第二反射鏡33與光源子系統(tǒng)的分光片26縱向同軸。

信號采集處理子系統(tǒng)包括第一聚焦鏡41、第二聚焦鏡42、第一光電探測器43和第二光電探測器44和信號采集處理裝置45。其中，第一聚焦鏡41、第一光電探測器43依次與第二雙色膜鏡片32橫向同軸設置，第二聚焦鏡42、第二光電探測器44依次與第二反射鏡33橫向同軸設置，信號采集處理裝置45連接第一光電探測器43和第二光電探測器44。

其中，第一中紅外激光器21、第二中紅外激光器22作為差分吸收法的激光源，分別產(chǎn)生波長為λ1和波長為λ2的第一激光和第二激光，其中波長λ1等于烷烴類氣體在中紅外區(qū)域的特征峰，波長λ2與波長λ1相差小于或等于0.5μm，烷烴類氣體對波長λ1激光的吸收系數(shù)是波長λ2激光的5倍以上；斬波器23采用不同的調(diào)制頻率對第一激光和第二激光進行調(diào)制，調(diào)制后的第二激光經(jīng)第一反射鏡25反射至半透半反鏡，與調(diào)制后的第一激光在半透半反鏡合束同軸，具有不同調(diào)制頻率的第一激光和第二激光合束后經(jīng)分光片26的反射光為探測光，透射光為參考光；第一雙色膜鏡片31和第二雙色膜鏡片32在銣激光器d1線波長增透，在探測光波長高反，探測光經(jīng)第一雙色膜鏡片31反射后與激光同軸(為了便于展示探測光，圖3中的探測光與激光平行，實際裝置的探測光與激光同軸)，經(jīng)偏振片13后進入蒸氣室12，蒸氣室12內(nèi)的甲烷吸收部分探測光，探測光經(jīng)蒸氣室12后由第二雙色膜鏡片32反射至第一聚焦鏡41，經(jīng)第一聚焦鏡41聚焦后由第一光電探測器43接收并轉(zhuǎn)換為電信號；參考光經(jīng)第二反射鏡33后由第二聚焦鏡42聚焦，聚焦后由第二光電探測器44接收并轉(zhuǎn)換為電信號；信號采集處理裝置45接收探測光電信號和參考光電信號，基于傅里葉變換對電信號進行處理獲得探測光的光強i(λ1，t)和i(λ2，t)和參考光的光強ir(λ1，t)和ir(λ2，t)，進而得到甲烷的濃度變化，最終得到半導體堿金屬蒸氣激光器的窗口污染和損傷情況。

其中，高反射凹面鏡11在700-900nm高反射，反射率大于99％，其曲率為20cm；輸出耦合鏡14的輸出耦合率為30％；第一中紅外激光器21為第二型帶間級聯(lián)分布反饋半導體激光器，激光波長為3.357μm，第二中紅外激光器22為第二型帶間級聯(lián)分布反饋半導體激光器，激光波長為3.550μm；斬波器23可以是兩個具有扇形缺口的圓盤，驅(qū)動裝置驅(qū)動圓盤旋轉(zhuǎn)調(diào)制第一激光和第二激光，斬波器23對第一激光和第二激光的調(diào)制頻率分別為500hz和750hz，半反半透鏡24的反射率為50％，透過率為50％；分光片26的反射率90％，透過率10％，第一雙色膜鏡片31和第二雙色膜鏡片32在795nm增透，在3.39μm高反；第一光電探測器43和第二光電探測器44為對中紅外波段激光響應較高的碲鎘汞器件；信號采集處理裝置45包括鎖相放大器、分頻器、濾波器、檢波器、a/d轉(zhuǎn)換器和計算機，對探測光電信號和參考光電信號的放大、分頻、模數(shù)轉(zhuǎn)換，基于傅里葉變換對電信號處理得到探測光光強i(λ1，t)和i(λ2，t)和參考光光強ir(λ1，t)和ir(λ2，t)，進而得到甲烷的濃度變化，最終得到半導體堿金屬蒸氣激光器的窗口污染和損傷情況。在信號采集處理裝置45還可設置示波器，對接收到的探測光電信號和參考光電信號進行觀測。

上述實施例同樣適用于乙烷、丙烷等其他烷烴類氣體，當適用于乙烷、丙烷時，第一激光波長λ1處于乙烷、丙烷的特征吸收峰；第一雙色膜鏡片31和第二雙色膜鏡片32在所選特征吸收峰處高反。上述實施例同樣適用于鉀、銫等其他堿金屬蒸氣，當適用于鉀、銫等其他堿金屬蒸氣時，探測光通過第一雙色膜鏡片31引入蒸氣室12，利用第二雙色膜鏡片32將探測光導出至信號采集處理子系統(tǒng)。第一中紅外激光器21、第二中紅外激光器22還可以采用其他類型的中紅外激光源，如中紅外氦氖激光器、光參量振蕩器等，選擇的激光源的輸出波長應可調(diào)諧，且存在兩個激光波長，波長相近，但是一個波長被烷烴類氣體強烈吸收，另一個波長被烷烴類氣體吸收較少，通過差分的方法探測烷烴類氣體濃度。

在本發(fā)明的另一個實施例中，提供了一種利用上述診斷裝置對半導體泵浦堿金屬蒸氣激光器進行診斷的方法，包括：

步驟a：利用上述診斷裝置得到探測光光強和探測光初始光強。

步驟a具體包括：

子步驟a1：診斷裝置的光源子系統(tǒng)產(chǎn)生探測光和參考光，探測光和參考光分別經(jīng)探測光路子系統(tǒng)和參考光路子系統(tǒng)后由信號采集處理子系統(tǒng)接收，信號采集處理子系統(tǒng)得到探測光光強i(λ1，t)和i(λ2，t)和參考光光強ir(λ1，t)和ir(λ2，t)。

子步驟a2：將信號采集處理子系統(tǒng)得到的參考光光強ir(λ1，t)和ir(λ2，t)作為探測光初始光強i0(λ1，t)和i0(λ2，t)。

步驟b：基于探測光光強和探測光初始光強得到烷烴類氣體的濃度。

以下介紹計算公式的推導過程：

首先基于朗伯比爾定律建立探測光光強和探測光初始光強的關系，

其具體包括：

根據(jù)朗伯比爾定律，探測光光強與探測光初始光強的關系為：

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)分別為碳粒沉積、窗口污染、鏡片吸收等因素引起的衰減系數(shù)，由于λ1與λ2非常接近，k1(λ1，t)≈k2(λ2，t)；α(λ1)和α(λ2)分別為一定氣壓和氣體配比下，烷烴類氣體對λ1和λ2的吸收系數(shù)，通過測量已知氣體配比和組分的樣品池獲得；l為蒸氣室12長度。

而后，基于公式(4)和(5)計算烷烴類氣體的濃度：

(6)

步驟c：基于烷烴類氣體濃度、烷烴類氣體溫度、蒸氣室體積、蒸氣室氣壓得到烷烴類氣體損失的摩爾數(shù)。

步驟c具體包括：

子步驟c1：基于烷烴類氣體濃度表達式，計算t1和t2時刻的烷烴類氣體濃度c(t1)和c(t2)。

c(t1)和c(t2)的表達式分別為：

子步驟c2：基于t1和t2時刻的烷烴類氣體濃度c(t1)和c(t2)、烷烴類氣體溫度、蒸氣室體積、蒸氣室氣壓計算烷烴類氣體損失的摩爾數(shù)。

烷烴類氣體損失的摩爾數(shù)n的表達式為：

(7)

其中，r為理想氣體常數(shù)，為8.314472j/(mol*k)，pbuffer為蒸氣室12的氣壓，可通過氣壓計測量；t為蒸氣室12的氣體溫度，可通過溫度傳感器測量；v為蒸氣室12的體積。

步驟d：基于烷烴類氣體損失的摩爾數(shù)得到碳粒沉積的速度，進而得到半導體泵浦堿金屬蒸氣激光器的診斷結(jié)果。

步驟d具體包括：

子步驟d1：基于烷烴類氣體損失的摩爾數(shù)得到碳粒沉積的速度。

當烷烴類氣體為甲烷時，碳粒沉積的速度n的表達式為：

(8)

其中，na為阿伏伽德羅常數(shù)；ndeposit是碳粒沉積速度。

子步驟d2：根據(jù)碳粒沉積的速度，得到半導體泵浦堿金屬蒸氣激光器的診斷結(jié)果。

子步驟d2具體包括：

當ndeposit＝0時，認為碳粒沒有產(chǎn)生，窗口未被污染和損傷；當ndeposit＞0時，認為碳粒正在產(chǎn)生，窗口被污染并損傷；ndeposit的數(shù)值越大，則窗口被污染和損傷的情況越嚴重。

與上述診斷裝置類似，上述實施例同樣適用于乙烷、丙烷等其他烷烴類氣體，還適用于鉀、銫等其他堿金屬蒸氣，第一中紅外激光器21、第二中紅外激光器22還可以采用其他類型的中紅外激光源，如中紅外氦氖激光器、光參量振蕩器等。當適用于乙烷、丙烷時，計算碳粒沉積速度時，乙烷按照消耗一個乙烷分子產(chǎn)生兩個碳原子計算，丙烷按照消耗一個丙烷分子產(chǎn)生三個碳原子計算。

需要說明的是，在附圖或說明書正文中，未繪示或描述的實現(xiàn)方式，均為所屬技術領域中普通技術人員所知的形式，并未進行詳細說明。此外，上述對各元件和步驟的定義并不僅限于實施例中提到的各種具體結(jié)構(gòu)、形狀和步驟，本領域普通技術人員可對其進行簡單地更改或替換，例如：

(1)本發(fā)明還可用適用于乙烷、丙烷等其他烷烴類氣體，還適用于鉀、銫等其他堿金屬蒸氣，第一中紅外激光器、第二中紅外激光器還可以采用其他類型的中紅外激光源；

(2)光路元件還可采用其他類型的元件，只要能實現(xiàn)相同的功能即可；

(3)本文可提供包含特定值的參數(shù)的示范，但這些參數(shù)無需確切等于相應的值，而是可在可接受的誤差容限或設計約束內(nèi)近似于相應值；

(4)實施例中提到的方向用語，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，僅是參考附圖的方向，并非用來限制本發(fā)明的保護范圍；

(5)上述實施例可基于設計及可靠度的考慮，彼此混合搭配使用或與其他實施例混合搭配使用，即不同實施例中的技術特征可以自由組合形成更多的實施例。

綜上所述，本發(fā)明提供的半導體泵浦堿金屬蒸氣激光器的診斷裝置和方法，采用差分吸收法檢測蒸氣室內(nèi)甲烷的濃度變化，可在線實時診斷堿金屬激光器的碳粒沉積狀況，能夠及時發(fā)現(xiàn)碳粒沉積，定量描述碳粒沉積速度，表征碳粒沉積狀況。

以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。