半导体抽运碱金属蒸气激光器研究进展

相比于固体和化学激光器,半导体抽运碱金属蒸气激光器以其极高的量子效率、气体介质易于流动散热、高光束质量、不存在单口径功率限制、安全可靠等优点显示出极大的优势和良好的发展潜力。概述了碱金属激光器的基本原理和最新研究进展,分析了高功率定标放大可能遇到的障碍和解决途径,并预测了未来的发展趋势。

半导体抽运铷蒸气输出2.8W线偏振铷激光

半导体抽运碱金属蒸气激光器(DPAL)是一种具有广阔应用前景的激光器,近年来发展迅速。使用碱金属铷所需要的中心波长为780nm的半导体激光器线阵作抽运源,采用平面衍射光栅搭建Littrow外腔将线宽压窄至0.13nm,并使用斩波器将半导体激光变为脉冲输出形式。采用透镜组合对窄线宽半导体激光进行光束扭转整形,整形后光斑近似为方形。半导体激光经线宽压窄和光束整形后,被聚焦进铷蒸气泡,泡内充入79kPa甲烷作为缓冲气体。控制铷蒸气泡温度为145℃,注入谐振腔的抽运光峰值功率为最高13W时,获得了峰值功率2.8W的线偏振铷激光输出,光-光转换效率达21%。

布儒斯特角结构16.8W半导体抽运铷蒸气激光器

为了获得高效半导体抽运碱金属蒸气激光器,采用布儒斯特角结构的增益池,有效地提高了激光的单程透射率,p偏振的激光单程透射率达到97%。采用长度为1 cm的增益池,其内填充碱金属铷蒸气作为增益介质和压强为79.99 k Pa的甲烷作为缓冲气体。采用中心波长为780 nm,线宽为0.1 nm,功率为48 W连续输出的半导体激光器作为抽运源。为了降低增益池内的热效应,采用斩波器将抽运光转化成脉冲形式输出,脉冲宽度为1.85 ms,重复频率为15 Hz,占空比2.77%。采用12 cm的平凹谐振腔,利用输出耦合率分别为41%、58%、76%的输出镜进行了优化实验。在增益池温度为160℃时,采用输出耦合率为76%的输出镜,获得了峰值功率最高为16.8 W的中心波长为795 nm的铷激光输出,光-光转换效率为35%,斜率效率为44.2%。

半导体抽运铯蒸气激光器阈值特性分析

本文建立了一种速率方程模型,以铯蒸气为例描述了半导体抽运碱金属蒸气激光器的阈值特性.经数值求解该模型,定量分析了抽运光束腰位置和半径、蒸气池长度、运行温度等参量对激光器的阈值抽运功率的影响.结果表明,存在最佳的抽运光束腰位置和半径、蒸气池长度以及运行温度使阈值最低,此外改善抽运光束质量也能有效降低阈值抽运功率.所得规律与目前实验事实基本相符,表明了该模型能较好地反映半导体抽运碱金属蒸气激光器的阈值特性,为该类激光器的优化设计提供一定的借鉴和参考.

高效率连续半导体抽运开环互易式全息光栅Nd:YVO_4板条激光器

报道了一种采用开环互易式激光谐振腔形成动态全息光栅,半导体巴条侧面抽运自适应Nd:YVO4板条激光器。实验研究了互易式全息光栅激光器输出激光的平均功率、光光转换效率、纵模以及其它特性,并与类似结构传统激光振荡器输出的纵模进行对比。实验确定了开环互易式激光谐振腔内存在全息光栅,对激光输出横模和纵模进行了调制。基于互易式激光谐振腔,最终获得了平均功率18.25W,光束质量M2<1.2,消光比大于1000:1,光光转换效率48%的高效率连续激光输出。

半导体激光抽运碱金属激光器研究进展

半导体激光抽运碱金属激光器(DPAL)具有很高的斯托克斯效率、高光束质量、近红外光谱等优异的特性,得到了广泛的关注和较快的发展。作为典型的三能级激光器,碱金属激光器连续输出的近红外波长分别为895nm(铯),795nm(铷),770nm(钾)。介绍了半导体激光抽运碱金属激光器的物理机理和重要研究进展,以及作者团队在碱金属激光器方向做的理论和实验研究情况,讨论了该领域存在的问题和难点,并对碱金属激光器的未来发展进行了分析和展望。

半导体抽运的Er:YAG陶瓷单频脉冲激光器

利用掺铒钇铝石榴石(Er:YAG)单块非平面环形腔(NPRO)激光器作为种子源,通过注入锁定技术研制了半导体抽运的Er:YAG陶瓷单频脉冲激光器。在重复频率为200Hz的条件下,获得了脉冲能量为11.45mJ、脉冲宽度为174ns的1645nm单频脉冲输出,在x和y方向上的M^2因子分别为1.45和1.42,脉冲光与种子光拍频信号的频谱半峰全宽为2.67MHz。实验表明,Er:YAG陶瓷作为增益介质在产生1.6μm激光方面具有较好的性能。此激光器可在激光雷达领域作为多普勒相干测风激光雷达和遥感激光雷达的光源。

光抽运垂直外腔面发射半导体激光器的设计与数值模拟

采用多周期应变补偿InGaAs/GaAsP双量子阱结构的半导体器件作为增益介质,设计了光抽运面发射半导体激光器件结构和实验光路。在谐振腔中引入分束棱镜保证了VECSEL表面的抽运光斑为圆形光斑。计算模拟了输出功率与抽运光斑和输出镜反射率间关系曲线,优化设计了抽运功率为2W时输出镜反射率并给出了相应的输出功率与抽运功率间关系模拟曲线。

半导体侧面抽运板条激光器光束质量优化

为了优化高功率板条激光器的光束质量,采用提高单侧基模光束的尺寸来限制腔内部分高阶模式振荡的方法,针对半导体侧面抽运板条激光器,测量了激光器在抽运状态下水平和竖直方向热焦距,建立了热透镜等效模型,并以平-平腔为参考,设计了水平和竖直方向单侧基模尺寸均会扩大的平-凹腔。验证了对于激光介质截面尺寸固定的板条激光器,扩大单侧基模尺寸可以限制高阶模式从而优化光束质量,并提出了进一步优化板条激光器性能的研究方法。结果表明,当平-凹腔的腔长为370mm时,输出功率为59.9W,水平方向M 2因子由平-平腔的115.6显著优化至32.9,竖直方向M 2因子由116.4显著优化为60.9。该研究对于板条激光器获得高质量输出及相关应用有实际意义。

用半导体饱和吸收镜进行Yb:YAG晶体被动锁模特性研究

为了研究半导体泵浦的Yb:YAG晶体被动锁模特性,分别采用光纤耦合输出激光器,半导体列阵和激光二级管作为泵浦源,利用直腔和五镜谐振腔,用半导体饱和吸收体(SESAM)作为被动锁模器件,对Yb:YAG晶体的被动锁模运转情况进行研究。实验中分别得到了谱线宽度为1.1nm,2nm和2.8nm的稳定锁模脉冲序列。最后得出结论,对于相同的SESAM,被动锁模脉宽主要受晶体内部的泵浦光功率密度和激光介质发射带宽两个因素的影响。对被动锁模激光器的研究具有指导意义。

用于片状放大器抽运的耦合导光管研究

采用光线追迹的方法研究了半导体激光二极管阵列(Laser Diode Array,LDA)抽运的耦合导光管的效率特性。分析了耦合导光管在理想情况下的反射率,并对不同参量的耦合导光管进行了模拟,得到了耦合导光管的反射率与结构参量之间的变化关系。提出了耦合导光管侧壁等效反射次数的概念,并通过光线追迹和数值拟合得到了等效反射次数与耦合导光管结构参量之间的近似数学表达式,最后通过实际工程设计实验对上述模拟进行了验证。

端面抽运DPAL三维模型及激光输出特性的模拟研究

根据激光三能级速率方程理论,考虑抽运光聚焦的空间分布,建立三维DPAL速率方程组的理论模型,结合激光系统运行的边界条件,通过数值方法,对模型进行求解,对端面抽运铷蒸气激光器的输出特性进行了详细分析,包括抽运光聚焦光斑半径、聚焦位置、蒸气池长度等参量对模式匹配效率、阈值抽运功率和斜率效率的影响。在模式匹配最佳时,计算了对介质长度对激光输出和阈值的影响。根据抽运光功率,以获得最大激光输出功率为目标,给出了激光器系统的优化参数,包括介质长度、抽运光聚焦在介质中的聚焦位置、输出耦合反射率。

半导体直接抽运的1117nm掺Yb3＋光纤激光器

报道了直接使用半导体激光器（LD）抽运Yb3＋掺杂光纤，实现长波的激光发射。通过LD直接抽运Yb3＋掺杂光纤，获得了1117nm的激光，最大输出功率为208mW，斜率效率为50．5％。输出光谱显示抽运光被全部吸收，放大的自发辐射（ASE）比激光小近50dB。

半导体激光抽运Dy:YAG黄光激光器

报道了一种新型小体积的半导体激光端面抽运国产Dy…YAG单晶的黄光激光器。根据Dy…YAG激光晶体的特殊能级结构,采用半导体激光抽运,利用~4 F_(9/2)→~6 H_(13/2)的能级跃迁,室温下直接获得582.7nm的黄光激光。抽运源采用蓝光LD,通过温控系统调节LD的工作温度,优化中心波长至447.3nm,从而实现抽运光波长与Dy…YAG晶体吸收谱线的较好匹配。在吸收抽运功率为1.4W的条件下,输出黄光激光的平均功率为56mW,最大单脉冲能量达到1.1mJ,对应的光光转化效率为4%,斜率效率为5%。

半导体激光端面抽运碱金属蒸气放大器的理论研究

简要概述了半导体激光器抽运碱金属蒸气激光器(DPAL)的研究背景与独特优势,介绍了DPAL主振荡功率放大器(MOPA)在国内外的发展现状。构建了基于碱金属原子三能级受激吸收-受激辐射理论的端面抽运DPALMOPA系统的速率方程模型并进行了系统的理论计算,分析了DPAL-MOPA的输出功率和提取效率随蒸气池温度、蒸气池长度、抽运功率和抽运光束的束腰半径的变化特性。与已发表的实验结果对比后发现,理论计算结果和实验数据十分吻合,验证了该理论模型的有效性。该研究对构建定标放大的DPAL系统具有理论指导意义。

半导体激光抽运亚稳态惰性气体激光器研究进展

半导体抽运亚稳态惰性气体激光器(DPRGLs)作为一种新型光抽运气体激光器,其工作原理与半导体抽运碱金属蒸气激光器(DPAL)相似,有望在继承DPAL诸多优势的同时克服其化学反应的隐患,具有潜在的高功率定标放大能力。综述了亚稳态惰性气体激光器的基本原理和研究进展,分析了关键技术点和功率定标放大潜力,对其未来发展和应用前景进行了预测。

高功率半导体激光抽运碱金属蒸汽激光器

随着半导体抽运固体激光器向更高的输出功率发展,固体激光工作物质的热效应问题成了该类器件发展的瓶颈,人们开始尝试用高功率半导体激光抽运气体工作物质来代替固体工作物质以实现良好的热管理。半导体抽运碱金属蒸汽激光器(DPAL)结合半导体激光高功率、高效率抽运和气体激光介质良好的热管理和光学特性,以及碱金属原子D线激光跃迁的高量子效率(99％)等优越性,有可能实现好的光束质量(近衍射极限)、高效率(斜率效率大于80％)、高平均功率的近红外激光,在定向能量传输、国防军事、激光钻油气井和激光工业加工等领域具有极好的应用前景。综述了DPAL激光器的工作原理、关键技术、最新研究进展和它的应用前景。

半导体激光器抽运新型高效、调谐Yb∶LYSO激光器

报道了以掺Yb介质硅酸镥钇晶体为增益介质的激光行为。在自由运转的条件下，在1086nm的中心波长处用2．5％的输出耦合镜得到7．8W的连续激光输出，相应的斜效率为64％。利用SF14棱镜作为腔内调谐元件，激光输出的调谐范围为1014-1091nm。

光抽运半导体激光器增益特性研究

以InGaAs/GaAs应变量子阱材料为例,介绍了考虑能带及波函数的混合效应的6×6Luttinger-Kohn哈密顿量,提出用有限差分法求解含Luttinger-Kohn哈密顿量的有效质量方程,数值模拟得到导带和价带的能带结构,计算应变量子阱的跃迁矩阵元,进而用Lorentzian线形函数计算材料增益。讨论了量子阱阱宽、注入载流子浓度、温度等因素对量子阱材料增益的影响。计算结果表明,压应变使得量子阱有效带隙增大,降低了材料增益的透明电流密度,继而降低器件的阈值,改善器件的输出特性;增益峰值波长和发射波长之间合适的偏差,会使光抽运半导体激光器的阈值电流和工作电流随温度有较小的变化。

绿光半导体激光器直接抽运的钛宝石飞秒脉冲

对两个1.45 W/520nm绿光半导体激光器的输出光束进行整形,再将其聚焦到钛宝石激光晶体上进行抽运,并结合GTI(Gires-Tournois Interferometer)镜对腔内色散给予补偿,实现了稳定的克尔透镜锁模运转,输出脉冲激光的脉宽为91fs,输出功率为208 mW,输出单脉冲能量为1.59nJ;优化腔型参数后,获得的最窄脉宽为82fs;缩短腔长后,获得的最高输出功率为232mW。