高功率循环流动型半导体泵浦碱金属蒸汽激光器研究进展(特邀)

半导体泵浦碱金属蒸汽激光器(DPAL)兼具半导体激光器和气体激光器的技术特点,具有量子效率高、受激发射截面大、折射率扰动较小和热管理便捷等优势,可实现高效率、高功率和高光束质量近红外激光输出,在工业制造、军事、医疗和科研等领域具有重要的应用价值。对于封闭静止型DPAL,在高功率泵浦情况下,蒸汽池内工作气体温度升高,热效应严重,造成DPAL性能下降。而循环流动型DPAL利用气体流动带走废热,可显著缓解工作气体的热效应,从而实现高功率激光输出。目前,循环流动型DPAL已成为实现高功率激光输出的主要技术路线,引发了越来越多的关注和研究。文中将介绍循环流动型DPAL的基本原理,概述其国内外发展现状,分析其高功率运转情况下的主要问题和解决途径,并对循环流动型DPAL的发展趋势进行展望。

用于碱金属蒸汽激光器泵浦的窄线宽780 nm半导体激光源

780.0nm窄线宽、高功率半导体激光器对于发展Rb碱金属蒸汽激光器具有重要意义 为获得好的泵 浦效果 泵浦光谱与碱金属蒸汽的吸收光谱需严格匹配 必须压窄半导体激光输出线宽 且稳定中心波长 反射式体布拉格光栅(RVBG)外腔反馈是目前实现窄光谱光源的主要方案之一 本文提出了快轴准直镜 光 束变换器 慢轴准直镜 反射式体布拉格光栅(FAC BTS SAC RVBG)的结构 压缩入射到 RVBG 的激光发散 角 提高RVBG有效反馈率 相对于常规的“FAC+SAC+RVBG”结构 提升光谱锁定效果 基于“ FAC+BTS+ SAC+RVBG”结构 研制出780nm窄线宽激光器 连续功率达到47.2W 通过对RVBG精确温控 可将中心 波长稳定在780.00nm 采用单模光纤探测 光谱宽度为0.064nm(FWHM) 温漂系数为0.0012nm/℃ 电 流漂移系数为0.0013nm/A 可用于Rb碱金属蒸汽激光器泵浦.

高功率半导体激光泵浦碱金属蒸汽激光器的理论模拟

半导体泵浦碱金属蒸汽激光器(DPALs)作为一种新型激光器,综合了半导体激光泵浦技术和碱金属蒸汽工作物质的优点,有望实现高功率、高效率、高光束质量的连续激光输出。通过基于速率方程理论构建的理论模型,对超高功率半导体激光器的运行状况进行了计算机模拟。理论模拟表明,从半导体泵浦碱金属蒸汽激光器获得连续输出百千瓦级激光输出是可行的,并且可以保证很高的斜率效率和很好的光束质量。该种超高功率激光器可以满足航空航天等领域中对超大功率近红外激光光源的需求。

半导体泵浦铯蒸汽激光器工作特性分析

基于端面泵浦碱金属蒸汽激光器的速率方程模型,研究了半导体激光泵浦铯蒸汽激光器的工作特性。通过改变泵浦参数和蒸汽池参数,分析了各参数对激光器的泵浦吸收特性和激光输出特性的影响。结果表明:铯蒸汽吸收的功率和激光器的输出功率会随泵浦功率、乙烷压强的增大而出现饱和现象,随泵浦光中心波长对铯原子吸收波长的偏离而呈类高斯型的变化趋势,随氦气压强的增大而先增强后减弱。此外,还存在临界泵浦光线宽和温度范围使激光器保持正常运转。结果与已报道的实验现象有较好的符合,可为进一步的实验探索提供借鉴和参考。

同带泵浦的Tm:CYA调Q锁模激光器

以半导体可饱和吸收镜SESAM作为锁模启动元件,利用同带泵浦技术首次在Tm:CaYALO_(4)(Tm:CYA)激光器实现了被动调Q锁模运转。光路采用X型四镜腔结构,泵浦源采用Er:Y_(3)Al_(5)O_(12)(Er:YAG)固体激光器,其中心波长为1650 nm。分别采用0.5%、1.5%、3%和5%透过率的输出耦合镜,对激光器连续光输出和锁模输出特性进行研究。结果表明:当采用5%透过率的输出耦合镜时,激光器的输出特性最好;当激光器在连续光运转情况下,得到了894 mW的最高功率和16%的最大斜效率输出;将连续光功率优化至最高,在光路中加入SESAM锁模元件后,当吸收泵浦功率大于1.86 W时,激光运转进入不稳定的调Q状态;当吸收泵浦功率提高到5.7 W时,实现了稳定的被动调Q锁模运转;吸收泵浦功率达到6.99 W时,采用5%透过率的输出耦合镜,获得了最高输出功率为399 mW的锁模脉冲激光;此时调Q包络下重复频率为98.11 MHz,脉冲宽度为619.4 ps,对应的最大单脉冲能量为4.07 nJ,调Q包络中锁模脉冲调制深度接近100%。实验结果证明,同带泵浦技术可以用于激光器以产生调Q锁模脉冲,为超短脉冲激光的产生提供了一种新的泵浦方式。

半导体泵浦铷蒸气激光器国内首次出光

采用体光栅对商用线阵半导体激光器进行线宽压缩,得到线宽0.1nm、中心波长780.2nm、最高连续输出功率80W的泵浦激光输出。为了降低热效应,通过外加斩波器将泵浦光转化为脉冲模式,脉宽440μs,占空比为1∶5。采用长度为5mm的铷金属饱和蒸气作为增益介质,并在常温下充入33kPa乙烷和47kPa氦气,进行了出光实验。在泵浦峰值功率35.4W,铷吸收池温度120℃时,得到峰值功率600mW的795nm铷激光输出,斜率效率为1.7%。

半导体激光泵浦复合晶体固体激光器的热效应

为了验证复合晶体使用到半导体泵浦的固体激光器中与非复合晶体的区别,提高半导体泵浦的固体激光器的工作效率,开展了半导体激光泵浦YAP/Tm∶YAP复合晶体固体激光器的热效应的验证实验。采用有限元分析法,模拟了晶体温度及热应力的分布,并分析了热透镜长度的变化情况。结果发现,与非复合晶体相比,复合晶体的温度和热应力均有不同程度的下降,复合晶体工作时的最高温度降至其80%,热应力降至其70%。同时也验证了热透镜焦距不随非掺杂晶体长度的增大而改变,这也意味着复合晶体不能有效提高复合激光的光束质量,但是可以确保输出激光光束质量的稳定性。因此可以证实,使用复合晶体能够有效改善激光器的温度和力学特性,但不能优化固体激光器的光束质量。

用于铷蒸气激光泵浦的窄线宽阵列半导体激光器

在激光二极管LD泵浦铷蒸气激光器中,窄线宽半导体激光是实现铷蒸气激光高效率输出的关键技术之一。基于体布拉格光栅(VBG)外腔技术,实现了40W功率0.14nm线宽的780nm激光输出。采用半导体制冷片(TEC)控制VBG温度,使得该激光器空气中波长可从779.35nm调谐至780.10nm,可用于铷蒸气激光的高效泵浦。

光谱特性对半导体泵浦碱蒸气激光器性能的影响

以速率方程模型为基础研究了光谱特性对半导体泵浦碱蒸气激光器性能的影响。结果表明:碱蒸气激光器的运行存在最优温度,温度和长度对碱蒸气激光器性能的影响是等价的,可以定义一个与温度和长度无关的效率描述其它参量一定时激光器的最优效率;泵浦谱宽对阈值泵浦强度的影响是线性的,由于碱金属原子在谱线远翼具有较大吸收截面,即使泵浦谱宽几倍或十几倍于原子吸收谱宽时也可能获得较高的效率;原子吸收谱宽对阈值泵浦强度的影响是非线性的,随着原子吸收谱宽的增加激光器光-光效率出现饱和下降;泵浦谱宽和原子吸收谱宽越宽,半导体激光器由于温度或电流导致的中心波长漂移的影响越小,实际中采用外腔压窄的半导体激光器阵列(谱宽小于200 GHz)可以控制其温度或电流漂移,使得碱蒸气激光器的性能基本不受影响。

半导体泵浦全固体蓝光激光器的研究进展

由于全固体蓝光激光器的广阔的应用前景和潜在的商业价值 ,使全固体蓝光激光器的研究成为当前激光领域的一个热点。简述了LD泵浦全固体蓝光激光器的发展历史和现状。讨论了产生蓝光的增益介质、倍频晶体、被动调Q晶体和已出现的直腔、“V”型腔及“Z”型腔的结构。指出了LD泵浦固体蓝光激光器面临的镀膜技术与“蓝光噪声问题”两大困难和其大功率。

半导体侧面泵浦固体激光器均匀性的计算和分析

建立了半导体侧面泵浦固体激光介质内泵浦光能吸收分布情况的数值模型。模拟计算了不同泵浦参数下棒状介质和板条介质内泵浦光能的吸收分布，计算结果和有关实验结果符合得很好。得出了半导体侧面泵浦机构中介质尺寸、介质吸收系数和半导体激光器发光面到介质泵浦面距离这三个参数对泵浦均匀性的影响。

半导体泵浦铷蒸气激光器阈值特性

以速率方程为基础建立理论模型,采用迭代计算方法,对单程端面泵浦铷蒸气激光器的阈值特性进行了详细研究。研究表明,铷室温度和长度对阈值泵浦功率密度的影响具有等价性,存在使阈值功率密度达到最小的最佳铷室长度与温度组合。泵浦光线宽对阈值功率密度的影响基本呈线性;泵浦光线宽越宽,泵浦光中心波长与铷原子吸收波长的偏移量对阈值功率密度的影响越小;存在最佳的铷原子吸收线宽,使阈值功率密度达到最小;为减小阈值功率密度,铷室窗口片应尽量考虑镀膜,谐振腔输出耦合率不宜大于80%。

大功率半导体激光泵浦固体激光器脉冲电源设计

介绍一种大功率半导体激光泵浦固体激光器(DPSSL)脉冲驱动电源的设计电路及其控制方法。根据半导体激光器的工作特性,采用前级电容充电电路与后级脉冲电流产生电路相结合的电路结构。由于LCC谐振电路具有软开关特性和抗负载短路、开路的能力,又能够实现对储能电容恒流充电的功能,因此其适合做为脉冲电源中储能电容的充电电路;后级脉冲电流产生电路选择大功率MOSFET做为主控器件,利用MOSFET饱和区的漏极电流可控性,通过栅极电压控制产生负载脉冲电流。控制部分采用模拟与数字相结合的控制方式,使脉冲电源控制更加灵活,引入脉冲电流指令给定积分器,可以更有效地控制脉冲电流上升过程,抑制电流过冲,提高控制精度,使脉冲驱动电源产生类似矩形波的大功率脉冲电流。搭建了脉冲功率为28kW的实验平台,实验达到的指标:脉冲电流幅值80A,脉冲电压350V,脉冲宽度100μs,重复频率100Hz。

高功率半导体激光器端面泵浦Nd:YVO_4固体激光器热致损耗的研究

本文提出了一种测量端面泵浦固体激光器热致损耗的方法．研究了Ｎｄ（３＋）浓度分别为０．５％和２％两种Ｎｄ：ＹＶＯ４晶体，基模半径与泵浦光斑半径之比Ｗ１／Ｗｐ分别为０．５和１情形下热致损耗随泵浦功率的变化，结果表明：热致损耗随泵浦功率的增加而增大，且强烈依赖于Ｗ１／ＷＰ；大的基模半径会导致严重的热致损耗．Ｎｄ：ＹＶＯ４晶体的Ｎｄ３＋浓度对热致损耗也有很大影响，在大模半径情形，高浓度晶体的热致损耗远大于低浓度晶体，而且对于Ｗ１／Ｗｐ的依赖更为强烈．

半导体激光泵浦固体激光器进展

介绍了半导体二极管激光器泵浦固体激光器(DPL)的国际新进展和国内研究动态。指出它在单块集成微型激光器件、超短脉冲激光器注入种籽光源和高功率、大能量超级激光器研究中的潜在优势。用国产DH-LD和MQW-LD泵浦Nd:YAG、Nd:glass、Nd:YLF和NYAB固体激光器,得到激光输出。实现了DPL的增益开关效应、腔内倍频和自倍频。建立了DPL动力学计算机模拟,计算值与实验结果基本一致。

半导体泵浦铷蒸气激光器出光实验

针对中心波长780nm的商用连续波半导体激光器,使用斩波器将连续激光变为脉冲输出形式,用2400line/mm的平面全息光栅搭建Littrow外腔将线宽压窄至0.2nm以下。采用透镜组对线宽压窄后的半导体激光进行光束整形,半导体激光经线宽压窄和光束整形后,经透镜聚焦进长约8mm的铷蒸气泡进行半导体泵浦碱金属激光实验。首次出光得到17.5mW的基模线偏振铷激光;在最新的改进实验中,半导体泵浦铷激光输出功率已达到2.8W。

半导体泵浦铷蒸气激光器理论与实验对比研究

以三能级速率方程理论为基础,结合具体实验,研究了单程泵浦铷蒸气激光器的输出特性。理论计算了铷激光器中泵浦光线宽、输出耦合率和铷室温度的最佳取值范围,以及输出功率与泵浦功率关系曲线,并分别与实验进行了对比。结果显示实验值与理论结果符合较好,验证了计算模型的适用性。

用于较大泵浦尺寸半导体泵浦固体激光器的一种特殊腔型

提出一种泵浦固体激光器的特殊腔型 ,解决了当功率较大时泵浦尺寸较大使得泵浦光斑与激光光斑不匹配的问题 ,并从激光腔理论和速率方程理论两方面通过数值计算验证了该腔型的优越性 .同时对 L

半导体泵浦固体激光器热透镜效应测量方法

为了测量光泵浦激光晶体的热透镜焦距值,分析了基模高斯光束的特性,给出了在已知基模高斯光束三个以上不同位置处光斑尺寸时求解高斯光束特征参数的方法,并提出了存在测量误差时的数值处理方法。利用计算机模拟构造高斯光束并利用此高斯光束在不同位置处的光斑半径大小值与被测高斯光束光斑半径测量值相减的平方和作为误差函数的值,误差函数值最小的构造高斯光束就是被测高斯光束。实验测量了半导体泵浦的Nd:YAG激光棒的热效应,给出了632.8 nm红光的热透镜值与泵浦电流的关系。

泵浦用大功率半导体激光器研制与应用发展状况

详尽地介绍了当前可以使用半导体泵浦的固体激光器泵浦要求 ,相应的半导体泵浦源的发展状况 ,存在的问题 ,最后介绍了列阵和耦合两种提高半导体泵浦源功率 ,改善其光束质量的方法。