1.本发明涉及亚稳态惰性气体激光
技术领域：
：，具体地说是一种采用激光诱导预电离的光泵浦亚稳态惰性气体激光器。
背景技术：
：：2.近年来，二极管泵浦碱金属激光器(diodepumpedalkalilaser,dpal)的应用发展迅速，dpal属于三能级气体激光器，能够输出近红外波长激光(k：770nm、rb：795nm、cs：894nm)，比中远红外波长的实际使用效果好，并通过气体循环散热方式，能够实现较好的热管理，因此其光束质量极佳，特别适合用于远场，此外该装置碱金属的增益系数大，定标放大性非常好，能够实现高功率输出，目前据公开报道的资料显示，dpal已经可以实现数千瓦级的功率输出。然而，dpal在工程应用上也面临着诸多挑战，主要包括：(1)碱金属原子与烷烃类气体会发生化学反应，烷烃分子分解碳化后会污染窗口镜片；(2)若仅利用氦气作为缓冲气体，需要较高气压，导致光束质量变差，并且对密封、气体循环等造成较大挑战；(3)碱金属易电离，导致碱金属原子浓度降低，发生淬灭，将限制dpal向更高功率规模发展。3.为了解决dpal面临的挑战，一种光泵浦亚稳态惰性气体激光器(opticallypumpedmetastableraregaslaser,oprgl)被提出，该激光器利用了惰性气体原子与碱金属原子结构接近的特点，通过放电激励的形式，由电离、复合、激发态辐射及弛豫等过程，将最外层电子激发形成价电子，获得亚稳态粒子，惰性气体中的亚稳态rg*寿命较长，相当于碱金属的基态ns，再通过二极管泵浦光激发亚稳态至高激发态，输出激光波长同样位于近红外波段。oprgl的光泵浦及激光输出过程与dpal的三能级结构极为相似，不同之处在于：(1)惰性气体的稳定性极佳，不存在发生化学反应的问题；(2)oprgl通常以氦气作为缓冲气体，无需烷烃类气体来加快弛豫速率，避免了碳化问题；(3)oprgl需要通过放电来获得足够多的亚稳态粒子浓度。4.目前，为了有效扩大高功率激光器的应用领域和使用效果，一般需要将激光器安装到车载、机载等移动平台，特别是机载平台对激光器的体积和重量有着极为苛刻的要求。同高功率teaco2激光器(tea：横向激励大气压)相似，oprgl在给电容充电进行高压放电的过程中，会产生严重的电磁干扰，而机载平台等对电磁干扰和电磁兼容极为敏感，为屏蔽放电设备所产生的电磁干扰，需要金属结构的屏蔽盒，导致激光系统体积大，重量沉，对机载平台形成了严峻的挑战，即便如此，也很难完全避免电磁信号的泄漏，这就限制了未来高功率oprgl的应用领域。因此，通过技术手段来解决或避免电磁干扰问题，将有助于推动oprgl在高功率激光领域的发展。技术实现要素：5.本发明的目的在于提供一种采用激光诱导预电离的光泵浦亚稳态惰性气体激光器，基于激光诱导预电离与外电场加速电子碰撞来快速产生高浓度亚稳态原子，能够在机理层面直接避免传统放电方式产生亚稳态原子所造成的严重电磁干扰问题。6.本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：7.一种采用激光诱导预电离的光泵浦亚稳态惰性气体激光器，包括惰性气体亚稳态制备室、泵浦光源和预电离光源，其中惰性气体亚稳态制备室内部设有样品池、射频电极和接地电极，且样品池设于射频电极和接地电极之间，泵浦光源和预电离光源均设于惰性气体亚稳态制备室外部，且泵浦光源出射光线和预电离光源出射光线垂直正交于所述样品池中，泵浦光源和惰性气体亚稳态制备室之间设有第一反射镜，惰性气体亚稳态制备室远离泵浦光源一侧设有第二反射镜，预电离光源和惰性气体亚稳态制备室之间设有透镜，惰性气体亚稳态制备室外侧设有加热装置。8.所述射频电极与射频源相连，且所述射频电极和射频源之间设有匹配网络，所述射频电极与接地电极之间周期性改变电场方向。9.所述射频电极的电极板与接地电极的电极板平行设置，样品池设于射频电极的电极板与接地电极的电极板之间。10.所述惰性气体亚稳态制备室和样品池靠近预电离光源一侧均设有侧窗口，所述预电离光源输出激光经透镜聚焦后形成聚焦线，且所述聚焦线位于样品池内，所述聚焦线所在平面与射频电极的电极板以及接地电极的电极板平行，并且所述聚焦线靠近射频电极的电极板一侧。11.所述惰性气体亚稳态制备室包括制备室外壁，所述制备室外壁一端设有第一端面窗口，另一端设有第二端面窗口，所述样品池一端设有入射窗口正对所述第一端面窗口，另一端设有出射窗口正对所述第二端面窗口。12.所述第一端面窗口、第二端面窗口、入射窗口、出射窗口表面均镀有波段増透膜。13.所述第一反射镜表面镀有波段增透膜和波段高反膜，所述第二反射镜表面镀有波段增透膜和波段反射膜。14.所述第一反射镜和第二反射镜均为凹面反射镜，所述透镜为柱面凸透镜。15.所述惰性气体亚稳态制备室包括制备室外壁，所述加热装置设于制备室外壁的外侧，并且所述加热装置与温度控制仪相连。16.所述样品池内充装有碱金属和用于制备亚稳态的惰性气体以及缓冲气体。17.本发明的优点与积极效果为：18.1、本发明利用激光诱导预电离的方式，可以产生高密度电子，同时避免了传统放电电离所产生的强电磁干扰问题。19.2、本发明采用碱金属，其原子极易电离，产生的电子碰撞惰性气体原子诱发其电离，降低了预电离阶段的电离阈值。20.3、本发明采用碱金属，其形成的蒸汽与惰性气体可以充分混合形成微电离通道，在预电离阶段有利于电离和碰撞均匀。21.4、本发明在预电离后，通过射频外电场加速电子碰撞惰性气体原子，能够获得均匀分布的、高浓度的亚稳态惰性气体原子。22.5、本发明有效降低了激光器的体积和重量，有助于扩大该类型激光器的应用领域。附图说明23.图1为本发明的结构示意图，24.图2为图1中的惰性气体亚稳态制备室结构示意图。25.其中，1为泵浦光源，2为第一反射镜，3为惰性气体亚稳态制备室，301为第一端面窗口，302为样品池，303为射频电极，304为接地电极，305为制备室外壁，306为第二端面窗口，4为预电离光源，5为透镜，6为加热装置，7为温度控制仪，8为匹配网络，9为第二反射镜，10为射频源。具体实施方式26.下面结合附图对本发明作进一步详述。27.如图1～2所示，本发明包括惰性气体亚稳态制备室3、泵浦光源1和预电离光源4，其中如图2所示，惰性气体亚稳态制备室3内部设有样品池302、射频电极303和接地电极304，且样品池302设于射频电极303和接地电极304之间，如图1所示，泵浦光源1和预电离光源4均设于惰性气体亚稳态制备室3外部，且泵浦光源1出射光线和预电离光源4出射光线垂直正交于所述样品池302中，泵浦光源1和惰性气体亚稳态制备室3之间设有第一反射镜2，惰性气体亚稳态制备室3远离泵浦光源1一侧设有第二反射镜9，预电离光源4和惰性气体亚稳态制备室3之间设有透镜5，所述第一反射镜2和第二反射镜9可采用凹面反射镜，所述透镜5可采用柱面凸透镜，另外如图1所示，惰性气体亚稳态制备室3外侧设有加热装置6，且所述加热装置6与一个温度控制仪7相连。28.如图2所示，所述惰性气体亚稳态制备室3包括制备室外壁305，所述制备室外壁305一端设有第一端面窗口301，另一端设有第二端面窗口306，所述样品池302一端设有入射窗口正对所述第一端面窗口301，另一端设有出射窗口正对所述第二端面窗口306，如图1所示，泵浦光源1射出的光线经过第一端窗口301射入样品池302中，并经由第二端面窗口306射出。所述第一端面窗口301和第二端面窗口306需能够满足泵浦光源输出激光的透射，以及满足亚稳态惰性气体激光体系所产生激光的透射。所述第一端面窗口301、第二端面窗口306、入射窗口、出射窗口表面均镀有波段増透膜，此为本领域公知技术。29.如图1所示，所述第一反射镜2作为高反腔镜，其表面镀有波段增透膜和波段高反膜，其表面镀膜可实现对泵浦激光波段的高透射率，以及亚稳态激光波段的高反射率，所述第二反射镜9作为输出耦合腔镜，其表面镀有波段增透膜和波段反射膜，其表面镀膜可实现对泵浦激光波段的高透射率，以及亚稳态激光波段的部分透射率。所述反射镜表面镀膜为本领域公知技术。30.如图1所示，所述加热装置6设于制备室外壁305的外侧，所述样品池302内充装有碱金属和相应的用于制备亚稳态的惰性气体以及缓冲气体，所述加热装置6对制备室外壁305进行加热，热量间接传导到样品池302内部，以使样品池302中产生足够浓度的碱金属蒸汽，并且所述加热装置6通过温度控制仪7控制加热温度。所述加热装置6和温度控制仪7均为本领域公知技术且为市购产品。31.如图1所示，所述射频电极303通过线路与射频源10相连，且所述射频电极303和射频源10之间设有匹配网络8。射频源10所产生的低压射频电场在射频电极303与接地电极304之间周期性改变电场方向，从而加速电子在样品池302内往复运动。所述射频源10和匹配网络8均为本领域公知技术且为市购产品，其中所述射频源10输出正弦信号的低压射频电场，重复频率为mhz量级，进而实现电场方向周期改变。32.如图2所示，所述射频电极303的电极板与所述接地电极304的电极板平行设置，样品池302设于射频电极303的电极板与接地电极304的电极板之间，并且样品池302的外壁与相邻电极板之间留有极小的空隙。33.所述惰性气体亚稳态制备室3和样品池302靠近预电离光源4一侧均设有侧窗口，所述预电离光源4输出激光经过透镜5(柱面凸透镜)后，在纵向上激光光斑被压缩和聚焦，在横向上光斑直径不变，因此，预电离光源4输出激光经透镜5聚焦后在横向上产生了聚焦线，并且聚焦线位于样品池302内，聚焦线所在平面与射频电极303的电极板以及接地电极304的电极板平行，且聚焦线靠近射频电极303的电极板一侧。预电离光源4输出激光经透镜5线聚焦后作用到靠近射频电极303附近的样品池302内部的碱金属-惰性气体混合物上，其中碱金属易电离，先发生多光子电离，随后再发生雪崩电离，产生初始电子，被加速的电子与惰性气体原子发生碰撞，引发雪崩电离，电子数量在纳秒量级时间内呈指数倍增加，预电离将获得较高的电子密度和一定的分布范围。34.本发明的工作原理为：35.所述样品池302内充装有碱金属和相应的用于制备亚稳态的惰性气体以及缓冲气体，所述加热装置6对制备室外壁305进行加热，热量间接传导到样品池302内部，以使样品池302中产生足够浓度的碱金属蒸汽与惰性气体和缓冲气体充分混合。36.随后制备亚稳态原子，预电离光源4输出激光经过透镜5(柱面凸透镜)后，在纵向上激光光斑被压缩和聚焦，在横向上光斑直径不变，因此，预电离光源4输出激光经透镜5聚焦后在横向上产生了聚焦线，并且聚焦线位于样品池302内，聚焦线所在平面与射频电极303的电极板以及接地电极304的电极板平行，且聚焦线靠近射频电极303电极板一侧。预电离光源4输出激光经透镜5线聚焦后作用到靠近射频电极303附近的样品池302内部的碱金属-惰性气体混合物上，其中碱金属易电离，先发生多光子电离，随后再发生雪崩电离，产生初始电子，被加速的电子与惰性气体原子发生碰撞，引发雪崩电离，电子数量在纳秒量级时间内呈指数倍增加，预电离将获得较高的电子密度和一定的分布范围，射频源10产生的低电压射频电场在射频电极303与接地电极304之间周期性改变电场方向，从而加速电子在样品池302内往复运动，实现电子与惰性气体原子的充分碰撞，并能够产生分布均匀、浓度足够的亚稳态惰性气体原子。37.而在光泵浦阶段，泵浦光源1输出激光由第一端面窗口301射入样品池302，再由第二端面窗口306出射，泵浦光源1输出的激光将样品池302内的亚稳态原子激发，并且辐射出的光子在由第一反射镜2和第二反射镜9所构成的谐振腔内振荡放大，直接产生的激光由第二反射镜9输出。38.下面列举几个应用例进一步说明本发明工作原理，其中所述泵浦光源1输出激光波长将位于ns[3/2]2能级(racah标注，对应的paschen标注为1s5)的亚稳态惰性气体原子共振激发到np[5/2]3能级(racah标注，对应的paschen标注为2p9)，为方便起见，本发明中以paschen标注为主进行表述。[0039]应用例一：[0040]本应用例中，样品池302内充装有钠金属，同时样品池302内充装有氖气用于制备亚稳态氖原子，常温下的氖气充气压为60torr(8.0×103pa)，还充装有氦气作为缓冲气体，常温下的氦气充气压为650torr(8.7×104pa)；将样品池302置于惰性气体亚稳态制备室3内的射频电极303与接地电极304之间，加热装置6对制备室外壁305进行加热，热量间接传导到样品池302内部，通过温度控制仪7控制加热温度维持在150℃，在150℃下样品池302内的钠金属饱和蒸汽压为7.6×10-6torr(1.0×10-3pa)，钠蒸汽与氖气、氦气充分混合。[0041]随后制备亚稳态氖原子，预电离光源4输出的532nm激光经过透镜5线聚焦后，通过制备室外壁305的侧面窗口，作用到靠近射频电极303附近的样品池302内部的钠-氖-氦混合物，钠金属易电离，产生的初始电子继续碰撞氖原子和氦原子，引发氖原子和氦原子的雪崩电离，从而通过预电离获得了具有一定分布范围的高密度电子；射频源10通过匹配网络8连接到射频电极303，射频源10所产生的低压射频电场在射频电极303与接地电极304之间周期性改变电场方向，加速电子在样品池302内往复运动，实现电子与氖原子的充分碰撞，保证产生分布均匀、浓度足够的1s5亚稳态氖原子。[0042]在光泵浦阶段，泵浦光源1输出激光由第一端面窗口301进入样品池302，再由第二端面窗口306出射，第一端面窗口301、第二端面窗口306和样品池302两端窗口的外表面镀有635～645nm和700～705nm波段増透膜，第一反射镜2的表面镀有635～645nm波段增透膜和700～705nm波段高反膜，第二反射镜9的表面镀有635～645nm波段增透膜和700～705nm波段部分反射膜；泵浦光源1输出的640.2nm激光将样品池302内的1s5亚稳态氖原子激发到2p9能级，在氦原子的碰撞作用下，2p9能级的氖原子快速弛豫到2p10能级，在2p10与1s5能级之间产生粒子数反转，辐射出的光子在由第一反射镜2和第二反射镜9所构成的谐振腔内振荡放大，直接产生的703.2nm激光由第二反射镜9输出。[0043]应用例二：[0044]本应用例中，样品池302内充装有钾金属，同时样品池302内充装有气用于制备亚稳态氩原子，常温下的氩气充气压为30torr(4.0×103pa)，还充装有氦气作为缓冲气体，常温下的氦气充气压为600torr(8.0×104pa)；将样品池302置于惰性气体亚稳态制备室3内的射频电极303与接地电极304之间，加热装置6对制备室外壁305进行加热，热量间接传导到样品池302内部，通过温度控制仪7控制加热温度维持在100℃，在100℃下样品池302内的钾金属饱和蒸汽压为2.2×10-5torr(3.0×10-3pa)，钾蒸汽与氩气、氦气充分混合。[0045]随后制备亚稳态氩原子，预电离光源4输出的532nm激光经过透镜5线聚焦后，通过制备室外壁305的侧面窗口，作用到靠近射频电极303附近的样品池302内部的钾-氩-氦混合物，钾金属易电离，产生的初始电子继续碰撞氩原子和氦原子，引发氩原子和氦原子的雪崩电离，从而通过预电离获得了具有一定分布范围的高密度电子；射频源10通过匹配网络8连接到射频电极303，射频源10所产生的低压射频电场在射频电极303与接地电极304之间周期性改变电场方向，加速电子在样品池302内往复运动，实现电子与氩原子的充分碰撞，保证产生分布均匀、浓度足够的1s5亚稳态氩原子。[0046]在光泵浦阶段，泵浦光源1输出激光由第一端面窗口301进入样品池302，再由第二端面窗口306出射，第一端面窗口301、第二端面窗口306和样品池302两端窗口的外表面镀有810～815nm和910～915nm波段増透膜，第一反射镜2的表面镀有810～815nm波段增透膜和910～915nm波段高反膜，第二反射镜9的表面镀有810～815nm波段增透膜和910～915nm波段部分反射膜；泵浦光源1输出的811.5nm激光将样品池302内的1s5亚稳态氩原子激发到2p9能级，在氦原子的碰撞作用下，2p9能级的氩原子快速弛豫到2p10能级，在2p10与1s5能级之间产生粒子数反转，辐射出的光子在由第一反射镜2和第二反射镜9所构成的谐振腔内振荡放大，直接产生的912.3nm激光由第二反射镜9输出。[0047]应用例三：[0048]本应用例中，样品池302内充装有铷金属，同时样品池302内充装有气用于制备亚稳态氪原子，常温下的氪气充气压为10torr(1.3×103pa)，还充装有氦气作为缓冲气体，常温下的氦气充气压为550torr(7.3×104pa)；将样品池302置于惰性气体亚稳态制备室3内的射频电极303与接地电极304之间，加热装置6对制备室外壁305进行加热，热量间接传导到样品池302内部，通过温度控制仪7控制加热温度维持在70℃，在70℃下样品池302内的铷金属饱和蒸汽压为2.6×10-5torr(3.5×10-3pa)，铷蒸汽与氪气、氦气充分混合。[0049]随后制备亚稳态氪原子，预电离光源4输出的532nm激光经过透镜5线聚焦后，通过制备室外壁305的侧面窗口，作用到靠近射频电极303附近的样品池302内部的铷-氪-氦混合物，铷金属易电离，产生的初始电子继续碰撞氪原子和氦原子，引发氪原子和氦原子的雪崩电离，从而通过预电离获得了具有一定分布范围的高密度电子；射频源10通过匹配网络8连接到射频电极303，射频源10所产生的低压射频电场在射频电极303与接地电极304之间周期性改变电场方向，加速电子在样品池302内往复运动，实现电子与氪原子的充分碰撞，保证产生分布均匀、浓度足够的1s5亚稳态氪原子。[0050]在光泵浦阶段，泵浦光源1输出激光由第一端面窗口301进入样品池302，再由第二端面窗口306出射，第一端面窗口301、第二端面窗口306和样品池302两端窗口的外表面镀有810～815nm和890～895nm波段増透膜，第一反射镜2的表面镀有810～815nm波段增透膜和890～895nm波段高反膜，第二反射镜9的表面镀有810～815nm波段增透膜和890～895nm波段部分反射膜；泵浦光源1输出的813.3nm激光将样品池302内的1s5亚稳态氪原子激发到2p9能级，在氦原子的碰撞作用下，2p9能级的氪原子快速弛豫到2p10能级，在2p10与1s5能级之间产生粒子数反转，辐射出的光子在由第一反射镜2和第二反射镜9所构成的谐振腔内振荡放大，直接产生的892.9nm激光由第二反射镜9输出。[0051]应用例四：[0052]本应用例中，样品池302内充装有铯金属，同时样品池302内充装有气用于制备亚稳态氙原子，常温下的氙气充气压为5torr(6.7×102pa)，还充装有氦气作为缓冲气体，常温下的氦气充气压为500torr(6.7×104pa)；将样品池302置于惰性气体亚稳态制备室3内的射频电极303与接地电极304之间，加热装置6对制备室外壁305进行加热，热量间接传导到样品池302内部，通过温度控制仪7控制加热温度维持在50℃，在50℃下样品池302内的铯金属饱和蒸汽压为1.6×10-5torr(2.0×10-3pa)，铯蒸汽与氙气、氦气充分混合。[0053]随后制备亚稳态氙原子，预电离光源4输出的532nm激光经过透镜5线聚焦后，通过制备室外壁305的侧面窗口，作用到靠近射频电极303附近的样品池302内部的铯-氙-氦混合物，铯金属易电离，产生的初始电子继续碰撞氙原子和氦原子，引发氙原子和氦原子的雪崩电离，从而通过预电离获得了具有一定分布范围的高密度电子；射频源10通过匹配网络8连接到射频电极303，射频源10所产生的低压射频电场在射频电极303与接地电极304之间周期性改变电场方向，加速电子在样品池302内往复运动，实现电子与氙原子的充分碰撞，保证产生分布均匀、浓度足够的1s5亚稳态氙原子。[0054]在光泵浦阶段，泵浦光源1输出激光由第一端面窗口301进入样品池302，再由第二端面窗口306出射，第一端面窗口301、第二端面窗口306和样品池302两端窗口的外表面镀有880～885nm和978～983nm波段増透膜，第一反射镜2的表面镀有880～885nm波段增透膜和978～983nm波段高反膜，第二反射镜9的表面镀有880～885nm波段增透膜和978～983nm波段部分反射膜；泵浦光源1输出的881.9nm激光将样品池302内的1s5亚稳态氙原子激发到2p9能级，在氦原子的碰撞作用下，2p9能级的氙原子快速弛豫到2p10能级，在2p10与1s5能级之间产生粒子数反转，辐射出的光子在由第一反射镜2和第二反射镜9所构成的谐振腔内振荡放大，直接产生的980.0nm激光由第二反射镜9输出。当前第1页12当前第1页12
技术领域：
：，具体地说是一种采用激光诱导预电离的光泵浦亚稳态惰性气体激光器。
背景技术：
：：2.近年来，二极管泵浦碱金属激光器(diodepumpedalkalilaser,dpal)的应用发展迅速，dpal属于三能级气体激光器，能够输出近红外波长激光(k：770nm、rb：795nm、cs：894nm)，比中远红外波长的实际使用效果好，并通过气体循环散热方式，能够实现较好的热管理，因此其光束质量极佳，特别适合用于远场，此外该装置碱金属的增益系数大，定标放大性非常好，能够实现高功率输出，目前据公开报道的资料显示，dpal已经可以实现数千瓦级的功率输出。然而，dpal在工程应用上也面临着诸多挑战，主要包括：(1)碱金属原子与烷烃类气体会发生化学反应，烷烃分子分解碳化后会污染窗口镜片；(2)若仅利用氦气作为缓冲气体，需要较高气压，导致光束质量变差，并且对密封、气体循环等造成较大挑战；(3)碱金属易电离，导致碱金属原子浓度降低，发生淬灭，将限制dpal向更高功率规模发展。3.为了解决dpal面临的挑战，一种光泵浦亚稳态惰性气体激光器(opticallypumpedmetastableraregaslaser,oprgl)被提出，该激光器利用了惰性气体原子与碱金属原子结构接近的特点，通过放电激励的形式，由电离、复合、激发态辐射及弛豫等过程，将最外层电子激发形成价电子，获得亚稳态粒子，惰性气体中的亚稳态rg*寿命较长，相当于碱金属的基态ns，再通过二极管泵浦光激发亚稳态至高激发态，输出激光波长同样位于近红外波段。oprgl的光泵浦及激光输出过程与dpal的三能级结构极为相似，不同之处在于：(1)惰性气体的稳定性极佳，不存在发生化学反应的问题；(2)oprgl通常以氦气作为缓冲气体，无需烷烃类气体来加快弛豫速率，避免了碳化问题；(3)oprgl需要通过放电来获得足够多的亚稳态粒子浓度。4.目前，为了有效扩大高功率激光器的应用领域和使用效果，一般需要将激光器安装到车载、机载等移动平台，特别是机载平台对激光器的体积和重量有着极为苛刻的要求。同高功率teaco2激光器(tea：横向激励大气压)相似，oprgl在给电容充电进行高压放电的过程中，会产生严重的电磁干扰，而机载平台等对电磁干扰和电磁兼容极为敏感，为屏蔽放电设备所产生的电磁干扰，需要金属结构的屏蔽盒，导致激光系统体积大，重量沉，对机载平台形成了严峻的挑战，即便如此，也很难完全避免电磁信号的泄漏，这就限制了未来高功率oprgl的应用领域。因此，通过技术手段来解决或避免电磁干扰问题，将有助于推动oprgl在高功率激光领域的发展。技术实现要素：5.本发明的目的在于提供一种采用激光诱导预电离的光泵浦亚稳态惰性气体激光器，基于激光诱导预电离与外电场加速电子碰撞来快速产生高浓度亚稳态原子，能够在机理层面直接避免传统放电方式产生亚稳态原子所造成的严重电磁干扰问题。6.本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：7.一种采用激光诱导预电离的光泵浦亚稳态惰性气体激光器，包括惰性气体亚稳态制备室、泵浦光源和预电离光源，其中惰性气体亚稳态制备室内部设有样品池、射频电极和接地电极，且样品池设于射频电极和接地电极之间，泵浦光源和预电离光源均设于惰性气体亚稳态制备室外部，且泵浦光源出射光线和预电离光源出射光线垂直正交于所述样品池中，泵浦光源和惰性气体亚稳态制备室之间设有第一反射镜，惰性气体亚稳态制备室远离泵浦光源一侧设有第二反射镜，预电离光源和惰性气体亚稳态制备室之间设有透镜，惰性气体亚稳态制备室外侧设有加热装置。8.所述射频电极与射频源相连，且所述射频电极和射频源之间设有匹配网络，所述射频电极与接地电极之间周期性改变电场方向。9.所述射频电极的电极板与接地电极的电极板平行设置，样品池设于射频电极的电极板与接地电极的电极板之间。10.所述惰性气体亚稳态制备室和样品池靠近预电离光源一侧均设有侧窗口，所述预电离光源输出激光经透镜聚焦后形成聚焦线，且所述聚焦线位于样品池内，所述聚焦线所在平面与射频电极的电极板以及接地电极的电极板平行，并且所述聚焦线靠近射频电极的电极板一侧。11.所述惰性气体亚稳态制备室包括制备室外壁，所述制备室外壁一端设有第一端面窗口，另一端设有第二端面窗口，所述样品池一端设有入射窗口正对所述第一端面窗口，另一端设有出射窗口正对所述第二端面窗口。12.所述第一端面窗口、第二端面窗口、入射窗口、出射窗口表面均镀有波段増透膜。13.所述第一反射镜表面镀有波段增透膜和波段高反膜，所述第二反射镜表面镀有波段增透膜和波段反射膜。14.所述第一反射镜和第二反射镜均为凹面反射镜，所述透镜为柱面凸透镜。15.所述惰性气体亚稳态制备室包括制备室外壁，所述加热装置设于制备室外壁的外侧，并且所述加热装置与温度控制仪相连。16.所述样品池内充装有碱金属和用于制备亚稳态的惰性气体以及缓冲气体。17.本发明的优点与积极效果为：18.1、本发明利用激光诱导预电离的方式，可以产生高密度电子，同时避免了传统放电电离所产生的强电磁干扰问题。19.2、本发明采用碱金属，其原子极易电离，产生的电子碰撞惰性气体原子诱发其电离，降低了预电离阶段的电离阈值。20.3、本发明采用碱金属，其形成的蒸汽与惰性气体可以充分混合形成微电离通道，在预电离阶段有利于电离和碰撞均匀。21.4、本发明在预电离后，通过射频外电场加速电子碰撞惰性气体原子，能够获得均匀分布的、高浓度的亚稳态惰性气体原子。22.5、本发明有效降低了激光器的体积和重量，有助于扩大该类型激光器的应用领域。附图说明23.图1为本发明的结构示意图，24.图2为图1中的惰性气体亚稳态制备室结构示意图。25.其中，1为泵浦光源，2为第一反射镜，3为惰性气体亚稳态制备室，301为第一端面窗口，302为样品池，303为射频电极，304为接地电极，305为制备室外壁，306为第二端面窗口，4为预电离光源，5为透镜，6为加热装置，7为温度控制仪，8为匹配网络，9为第二反射镜，10为射频源。具体实施方式26.下面结合附图对本发明作进一步详述。27.如图1～2所示，本发明包括惰性气体亚稳态制备室3、泵浦光源1和预电离光源4，其中如图2所示，惰性气体亚稳态制备室3内部设有样品池302、射频电极303和接地电极304，且样品池302设于射频电极303和接地电极304之间，如图1所示，泵浦光源1和预电离光源4均设于惰性气体亚稳态制备室3外部，且泵浦光源1出射光线和预电离光源4出射光线垂直正交于所述样品池302中，泵浦光源1和惰性气体亚稳态制备室3之间设有第一反射镜2，惰性气体亚稳态制备室3远离泵浦光源1一侧设有第二反射镜9，预电离光源4和惰性气体亚稳态制备室3之间设有透镜5，所述第一反射镜2和第二反射镜9可采用凹面反射镜，所述透镜5可采用柱面凸透镜，另外如图1所示，惰性气体亚稳态制备室3外侧设有加热装置6，且所述加热装置6与一个温度控制仪7相连。28.如图2所示，所述惰性气体亚稳态制备室3包括制备室外壁305，所述制备室外壁305一端设有第一端面窗口301，另一端设有第二端面窗口306，所述样品池302一端设有入射窗口正对所述第一端面窗口301，另一端设有出射窗口正对所述第二端面窗口306，如图1所示，泵浦光源1射出的光线经过第一端窗口301射入样品池302中，并经由第二端面窗口306射出。所述第一端面窗口301和第二端面窗口306需能够满足泵浦光源输出激光的透射，以及满足亚稳态惰性气体激光体系所产生激光的透射。所述第一端面窗口301、第二端面窗口306、入射窗口、出射窗口表面均镀有波段増透膜，此为本领域公知技术。29.如图1所示，所述第一反射镜2作为高反腔镜，其表面镀有波段增透膜和波段高反膜，其表面镀膜可实现对泵浦激光波段的高透射率，以及亚稳态激光波段的高反射率，所述第二反射镜9作为输出耦合腔镜，其表面镀有波段增透膜和波段反射膜，其表面镀膜可实现对泵浦激光波段的高透射率，以及亚稳态激光波段的部分透射率。所述反射镜表面镀膜为本领域公知技术。30.如图1所示，所述加热装置6设于制备室外壁305的外侧，所述样品池302内充装有碱金属和相应的用于制备亚稳态的惰性气体以及缓冲气体，所述加热装置6对制备室外壁305进行加热，热量间接传导到样品池302内部，以使样品池302中产生足够浓度的碱金属蒸汽，并且所述加热装置6通过温度控制仪7控制加热温度。所述加热装置6和温度控制仪7均为本领域公知技术且为市购产品。31.如图1所示，所述射频电极303通过线路与射频源10相连，且所述射频电极303和射频源10之间设有匹配网络8。射频源10所产生的低压射频电场在射频电极303与接地电极304之间周期性改变电场方向，从而加速电子在样品池302内往复运动。所述射频源10和匹配网络8均为本领域公知技术且为市购产品，其中所述射频源10输出正弦信号的低压射频电场，重复频率为mhz量级，进而实现电场方向周期改变。32.如图2所示，所述射频电极303的电极板与所述接地电极304的电极板平行设置，样品池302设于射频电极303的电极板与接地电极304的电极板之间，并且样品池302的外壁与相邻电极板之间留有极小的空隙。33.所述惰性气体亚稳态制备室3和样品池302靠近预电离光源4一侧均设有侧窗口，所述预电离光源4输出激光经过透镜5(柱面凸透镜)后，在纵向上激光光斑被压缩和聚焦，在横向上光斑直径不变，因此，预电离光源4输出激光经透镜5聚焦后在横向上产生了聚焦线，并且聚焦线位于样品池302内，聚焦线所在平面与射频电极303的电极板以及接地电极304的电极板平行，且聚焦线靠近射频电极303的电极板一侧。预电离光源4输出激光经透镜5线聚焦后作用到靠近射频电极303附近的样品池302内部的碱金属-惰性气体混合物上，其中碱金属易电离，先发生多光子电离，随后再发生雪崩电离，产生初始电子，被加速的电子与惰性气体原子发生碰撞，引发雪崩电离，电子数量在纳秒量级时间内呈指数倍增加，预电离将获得较高的电子密度和一定的分布范围。34.本发明的工作原理为：35.所述样品池302内充装有碱金属和相应的用于制备亚稳态的惰性气体以及缓冲气体，所述加热装置6对制备室外壁305进行加热，热量间接传导到样品池302内部，以使样品池302中产生足够浓度的碱金属蒸汽与惰性气体和缓冲气体充分混合。36.随后制备亚稳态原子，预电离光源4输出激光经过透镜5(柱面凸透镜)后，在纵向上激光光斑被压缩和聚焦，在横向上光斑直径不变，因此，预电离光源4输出激光经透镜5聚焦后在横向上产生了聚焦线，并且聚焦线位于样品池302内，聚焦线所在平面与射频电极303的电极板以及接地电极304的电极板平行，且聚焦线靠近射频电极303电极板一侧。预电离光源4输出激光经透镜5线聚焦后作用到靠近射频电极303附近的样品池302内部的碱金属-惰性气体混合物上，其中碱金属易电离，先发生多光子电离，随后再发生雪崩电离，产生初始电子，被加速的电子与惰性气体原子发生碰撞，引发雪崩电离，电子数量在纳秒量级时间内呈指数倍增加，预电离将获得较高的电子密度和一定的分布范围，射频源10产生的低电压射频电场在射频电极303与接地电极304之间周期性改变电场方向，从而加速电子在样品池302内往复运动，实现电子与惰性气体原子的充分碰撞，并能够产生分布均匀、浓度足够的亚稳态惰性气体原子。37.而在光泵浦阶段，泵浦光源1输出激光由第一端面窗口301射入样品池302，再由第二端面窗口306出射，泵浦光源1输出的激光将样品池302内的亚稳态原子激发，并且辐射出的光子在由第一反射镜2和第二反射镜9所构成的谐振腔内振荡放大，直接产生的激光由第二反射镜9输出。38.下面列举几个应用例进一步说明本发明工作原理，其中所述泵浦光源1输出激光波长将位于ns[3/2]2能级(racah标注，对应的paschen标注为1s5)的亚稳态惰性气体原子共振激发到np[5/2]3能级(racah标注，对应的paschen标注为2p9)，为方便起见，本发明中以paschen标注为主进行表述。[0039]应用例一：[0040]本应用例中，样品池302内充装有钠金属，同时样品池302内充装有氖气用于制备亚稳态氖原子，常温下的氖气充气压为60torr(8.0×103pa)，还充装有氦气作为缓冲气体，常温下的氦气充气压为650torr(8.7×104pa)；将样品池302置于惰性气体亚稳态制备室3内的射频电极303与接地电极304之间，加热装置6对制备室外壁305进行加热，热量间接传导到样品池302内部，通过温度控制仪7控制加热温度维持在150℃，在150℃下样品池302内的钠金属饱和蒸汽压为7.6×10-6torr(1.0×10-3pa)，钠蒸汽与氖气、氦气充分混合。[0041]随后制备亚稳态氖原子，预电离光源4输出的532nm激光经过透镜5线聚焦后，通过制备室外壁305的侧面窗口，作用到靠近射频电极303附近的样品池302内部的钠-氖-氦混合物，钠金属易电离，产生的初始电子继续碰撞氖原子和氦原子，引发氖原子和氦原子的雪崩电离，从而通过预电离获得了具有一定分布范围的高密度电子；射频源10通过匹配网络8连接到射频电极303，射频源10所产生的低压射频电场在射频电极303与接地电极304之间周期性改变电场方向，加速电子在样品池302内往复运动，实现电子与氖原子的充分碰撞，保证产生分布均匀、浓度足够的1s5亚稳态氖原子。[0042]在光泵浦阶段，泵浦光源1输出激光由第一端面窗口301进入样品池302，再由第二端面窗口306出射，第一端面窗口301、第二端面窗口306和样品池302两端窗口的外表面镀有635～645nm和700～705nm波段増透膜，第一反射镜2的表面镀有635～645nm波段增透膜和700～705nm波段高反膜，第二反射镜9的表面镀有635～645nm波段增透膜和700～705nm波段部分反射膜；泵浦光源1输出的640.2nm激光将样品池302内的1s5亚稳态氖原子激发到2p9能级，在氦原子的碰撞作用下，2p9能级的氖原子快速弛豫到2p10能级，在2p10与1s5能级之间产生粒子数反转，辐射出的光子在由第一反射镜2和第二反射镜9所构成的谐振腔内振荡放大，直接产生的703.2nm激光由第二反射镜9输出。[0043]应用例二：[0044]本应用例中，样品池302内充装有钾金属，同时样品池302内充装有气用于制备亚稳态氩原子，常温下的氩气充气压为30torr(4.0×103pa)，还充装有氦气作为缓冲气体，常温下的氦气充气压为600torr(8.0×104pa)；将样品池302置于惰性气体亚稳态制备室3内的射频电极303与接地电极304之间，加热装置6对制备室外壁305进行加热，热量间接传导到样品池302内部，通过温度控制仪7控制加热温度维持在100℃，在100℃下样品池302内的钾金属饱和蒸汽压为2.2×10-5torr(3.0×10-3pa)，钾蒸汽与氩气、氦气充分混合。[0045]随后制备亚稳态氩原子，预电离光源4输出的532nm激光经过透镜5线聚焦后，通过制备室外壁305的侧面窗口，作用到靠近射频电极303附近的样品池302内部的钾-氩-氦混合物，钾金属易电离，产生的初始电子继续碰撞氩原子和氦原子，引发氩原子和氦原子的雪崩电离，从而通过预电离获得了具有一定分布范围的高密度电子；射频源10通过匹配网络8连接到射频电极303，射频源10所产生的低压射频电场在射频电极303与接地电极304之间周期性改变电场方向，加速电子在样品池302内往复运动，实现电子与氩原子的充分碰撞，保证产生分布均匀、浓度足够的1s5亚稳态氩原子。[0046]在光泵浦阶段，泵浦光源1输出激光由第一端面窗口301进入样品池302，再由第二端面窗口306出射，第一端面窗口301、第二端面窗口306和样品池302两端窗口的外表面镀有810～815nm和910～915nm波段増透膜，第一反射镜2的表面镀有810～815nm波段增透膜和910～915nm波段高反膜，第二反射镜9的表面镀有810～815nm波段增透膜和910～915nm波段部分反射膜；泵浦光源1输出的811.5nm激光将样品池302内的1s5亚稳态氩原子激发到2p9能级，在氦原子的碰撞作用下，2p9能级的氩原子快速弛豫到2p10能级，在2p10与1s5能级之间产生粒子数反转，辐射出的光子在由第一反射镜2和第二反射镜9所构成的谐振腔内振荡放大，直接产生的912.3nm激光由第二反射镜9输出。[0047]应用例三：[0048]本应用例中，样品池302内充装有铷金属，同时样品池302内充装有气用于制备亚稳态氪原子，常温下的氪气充气压为10torr(1.3×103pa)，还充装有氦气作为缓冲气体，常温下的氦气充气压为550torr(7.3×104pa)；将样品池302置于惰性气体亚稳态制备室3内的射频电极303与接地电极304之间，加热装置6对制备室外壁305进行加热，热量间接传导到样品池302内部，通过温度控制仪7控制加热温度维持在70℃，在70℃下样品池302内的铷金属饱和蒸汽压为2.6×10-5torr(3.5×10-3pa)，铷蒸汽与氪气、氦气充分混合。[0049]随后制备亚稳态氪原子，预电离光源4输出的532nm激光经过透镜5线聚焦后，通过制备室外壁305的侧面窗口，作用到靠近射频电极303附近的样品池302内部的铷-氪-氦混合物，铷金属易电离，产生的初始电子继续碰撞氪原子和氦原子，引发氪原子和氦原子的雪崩电离，从而通过预电离获得了具有一定分布范围的高密度电子；射频源10通过匹配网络8连接到射频电极303，射频源10所产生的低压射频电场在射频电极303与接地电极304之间周期性改变电场方向，加速电子在样品池302内往复运动，实现电子与氪原子的充分碰撞，保证产生分布均匀、浓度足够的1s5亚稳态氪原子。[0050]在光泵浦阶段，泵浦光源1输出激光由第一端面窗口301进入样品池302，再由第二端面窗口306出射，第一端面窗口301、第二端面窗口306和样品池302两端窗口的外表面镀有810～815nm和890～895nm波段増透膜，第一反射镜2的表面镀有810～815nm波段增透膜和890～895nm波段高反膜，第二反射镜9的表面镀有810～815nm波段增透膜和890～895nm波段部分反射膜；泵浦光源1输出的813.3nm激光将样品池302内的1s5亚稳态氪原子激发到2p9能级，在氦原子的碰撞作用下，2p9能级的氪原子快速弛豫到2p10能级，在2p10与1s5能级之间产生粒子数反转，辐射出的光子在由第一反射镜2和第二反射镜9所构成的谐振腔内振荡放大，直接产生的892.9nm激光由第二反射镜9输出。[0051]应用例四：[0052]本应用例中，样品池302内充装有铯金属，同时样品池302内充装有气用于制备亚稳态氙原子，常温下的氙气充气压为5torr(6.7×102pa)，还充装有氦气作为缓冲气体，常温下的氦气充气压为500torr(6.7×104pa)；将样品池302置于惰性气体亚稳态制备室3内的射频电极303与接地电极304之间，加热装置6对制备室外壁305进行加热，热量间接传导到样品池302内部，通过温度控制仪7控制加热温度维持在50℃，在50℃下样品池302内的铯金属饱和蒸汽压为1.6×10-5torr(2.0×10-3pa)，铯蒸汽与氙气、氦气充分混合。[0053]随后制备亚稳态氙原子，预电离光源4输出的532nm激光经过透镜5线聚焦后，通过制备室外壁305的侧面窗口，作用到靠近射频电极303附近的样品池302内部的铯-氙-氦混合物，铯金属易电离，产生的初始电子继续碰撞氙原子和氦原子，引发氙原子和氦原子的雪崩电离，从而通过预电离获得了具有一定分布范围的高密度电子；射频源10通过匹配网络8连接到射频电极303，射频源10所产生的低压射频电场在射频电极303与接地电极304之间周期性改变电场方向，加速电子在样品池302内往复运动，实现电子与氙原子的充分碰撞，保证产生分布均匀、浓度足够的1s5亚稳态氙原子。[0054]在光泵浦阶段，泵浦光源1输出激光由第一端面窗口301进入样品池302，再由第二端面窗口306出射，第一端面窗口301、第二端面窗口306和样品池302两端窗口的外表面镀有880～885nm和978～983nm波段増透膜，第一反射镜2的表面镀有880～885nm波段增透膜和978～983nm波段高反膜，第二反射镜9的表面镀有880～885nm波段增透膜和978～983nm波段部分反射膜；泵浦光源1输出的881.9nm激光将样品池302内的1s5亚稳态氙原子激发到2p9能级，在氦原子的碰撞作用下，2p9能级的氙原子快速弛豫到2p10能级，在2p10与1s5能级之间产生粒子数反转，辐射出的光子在由第一反射镜2和第二反射镜9所构成的谐振腔内振荡放大，直接产生的980.0nm激光由第二反射镜9输出。当前第1页12当前第1页12
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