碱金属激光器问题分析与研究展望

简要概述了半导体泵浦碱金属激光器(DPAL)的产生背景与独特优势,以其特性为基础、应用为导向,基于国内外最新进展分析了谱线匹配、连续稳定运转和提高输出功率这三大问题,并对新型复合受激态准分子宽带泵浦碱金属激光器(XPAL)的基本原理及优缺点进行了阐述。通过对碱金属激光器现有解决思路进行对比和总结,在能级理论和缓冲气体作用机理、泵浦机理和腔结构以及高功率定标放大等方面,对未来可能的研究方向进行了展望,以期突破DPAL相关技术瓶颈,实现高能量高光束质量的红外激光输出。

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。

新型碱金属激光器的开发与应用

文章扼要介绍了新型二极管激光泵浦碱金属蒸气激光器(Diode pumped alkali vapor lasers-DPALs)的特点、开发和应用。DPALs是兼顾固体激光器和气体激光器优点的新型激光器,它具有量子效率高、光束质量好和线宽窄等特点。在军事领域的定向能量传输、大气环境监测、材料功能处理和医疗等方面具有非常广泛的应用价值,具有较大的研究意义。

准分子宽带泵浦碱金属激光器

基于国内外相关研究成果,对准分子宽带泵浦碱金属激光器(XPAL)的原理进行了阐述,对其优缺点进行了分析,针对半导体泵浦碱金属蒸气激光器(DPAL)发展中所面临的困难,分析了XPAL解决这些困难的潜力。最后综述了XPAL近年的发展,提出了下一步的发展方向。

准分子宽带泵浦碱金属激光器泵浦特性分析

建立了以Rb-Ar混合气体为增益介质的四能级准分子宽带泵浦碱金属激光器(XPAL)含时速率方程模型,计算得到了运转过程各能级粒子数和腔内激光强度随时间的变化曲线。结果表明:XPAL的阈值泵浦强度很高,泵浦源谱宽与吸收线宽匹配不能达到提高吸收效率、降低阈值的目的;在泵浦功率一定的条件下,增加介质长度和温度可以提高吸收效率,但将降低单位体积泵浦速率;XPAL成功的关键在于实现有效的泵浦吸收。

准分子宽带泵浦碱金属激光器实现铷激光输出

采用自主搭建的光学参量振荡器作为泵浦源:脉宽15ns,脉冲能量10mJ,中心波长756.3nm,谱宽0.5nm;增益介质为Rb-Ar混合气体,封装于长75mm的吸收池内,常温下Ar的含量为67kPa,开展了出光实验。在温度为136℃时,实现了780nm铷激光输出。

碱金属激光器在SERF原子磁力计泵浦领域的应用前景

碱金属激光器的输出波长无需稳频即可实现中心波长与碱金属原子D1线波长的匹配,在无自旋交换弛豫(SERF)原子磁力计泵浦领域具有较为广阔的应用前景。综述了SERF磁力计泵浦源和碱金属激光器的发展现状,分析了SERF磁力计对泵浦源的需求,讨论了碱金属激光器用于SERF磁力计泵浦源的潜力及面临的问题。

流道结构对半导体泵浦流动铷蒸气激光器特性影响

为研究气体流道结构对半导体泵浦流动碱金属蒸气激光器(FDPAL)输出性能的影响,本文结合FDPAL中气体传热、流体力学和激光动力学过程建立了FDPAL理论模型,以侧面泵浦Rb蒸气FDPAL(Rb-FDPAL)为仿真对象,分析气体流动方向、流道横截面积和流道形状等对Rb-FDPAL输出性能的影响。结果表明,采用横流方式,通过提高流道横截面积并将气体流道与蒸气池连接部位设置为砌体结构时,蒸气内涡流得到有效抑制,气体流速增加,蒸气池内热效应更小,Rb-FDPAL的激光输出功率和斜率效率更高,仿真结果与实验相符。

短蒸气室自加热碱金属激光器输出特性

短蒸气室自加热碱金属激光器的原理是利用未被增益介质吸收的抽运光加热碱金属蒸气室。基于三能级速率方程,建立了半导体激光双端抽运碱金属激光器的理论模型,研究了增益介质长度、蒸气室温度和抽运源线宽等参数对短蒸气室自加热碱金属激光器输出激光的影响。研究结果表明,在普通外腔半导体激光器抽运下,增益介质长度为2mm时可以实现瓦级激光输出,选择较高的抽运光功率可提高自加热碱金属激光器的输出功率。该研究结果将为自加热碱金属激光器的实验提供理论基础,并可进一步拓展小功率碱金属激光器的应用领域。

碱金属激光器蒸气室窗口片的标准具效应研究

实验研究了内表面未镀膜的碱金属蒸气室窗口片的标准具效应对激光输出的影响。研究结果表明:蒸气室两个内表面作为激光输出面时的光斑图样不同,且均伴随有寄生光斑;蒸气室窗口片之间的楔角导致了寄生光斑的产生。将激光器在不同输出耦合率下阈值的实验结果和理论结果进行比较,验证了碱金属蒸气室内表面未镀膜时具有标准具效应,存在多次反射;仅碱金属蒸气室作为输出耦合镜时,标准具效应是输出光斑的主要机制,此时获得了1.8 W的铷激光,其光光效率为10.2%,斜率效率为15.8%。

光学端面泵浦碱金属铷蒸汽激光器获得693 W峰值功率输出

通过一种脉冲钛蓝宝石激光器抽运铷蒸汽激光器,研究了抽运铷蒸汽激光器的动力学特性。铷蒸汽泡在室温下充满70 kPa甲烷和6 atm氦气。激光器的平均输出功率为208 mW,从吸收的779.8 nm泵浦光到795 nm激光的转换效率为19%。该激光器的峰值功率为693 W,重复率为3 kHz,脉冲宽度(FWHM)100 ns。实验表明,在高泵浦光强DPALs中,Rb-He-CH4混合物的再吸收将是一个重要的限制。可以推导出在418 K时(缓冲气体:70 kPa甲烷和6 atm氦气,室温),泵浦源LDs的线宽为0.9 nm时,Rb-He-CH4系统的泵浦强度阈值大于200.6 kW/cm2。

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.

缓冲气体对碱金属蒸汽激光器工作特性的影响

基于端面泵浦碱金属蒸汽激光器的速率方程模型,研究了碱金属蒸汽激光器在不同缓冲气体环境中的工作特性。通过优化输出镜反射率、气体压强等参量,获得了激光器在不同缓冲气体中的输出功率随温度的变化曲线。结果表明:有烃DPAL中,最佳输出功率和运行温度随能级混合速率的增大而分别增大和减小,而且激光器在不同烃类气体下的最佳工作状态可用准二能级工作曲线描述;无烃DPAL中,氦气同位素3He可以大幅减小激光器的氦气压强,而且能够提高Rb-DPAL的输出功率,但是K-DPAL在3He中的输出功率略低。模拟结果与已报道的实验现象有较好的符合,可为实验研究提供理论指导。

准分子宽带抽运碱金属激光器输出特性分析

为了研究准分子宽带抽运碱金属激光器（XPAL）的输出特性，建立了增益介质为Cs-Ar混合气体的五能级XPAL的含时速率方程。使用三角脉冲型抽运，通过模拟计算得出了输出激光能量随输入脉冲抽运能量变化、温度变化、弛豫气体分子浓度变化的曲线图，模型得到的斜率效率和实验数据符合较好。结果表明，其他条件不变的情况下，温度越高，XPAL的阈值和斜率效率越高；弛豫气体分子浓度足够大的时候，D2线激光会消失；XPAL在T=515K附近时效率最高。

高功率碱金属激光器的发展和技术挑战

高功率二极管抽运碱金属蒸气激光器(DPAL)的功率已经达到10 kW量级,具有满足军用激光武器对光光转换效率、质量、体积等高要求的潜力。碱金属蒸气激光器具有可定标放大且保持良好光束质量特性的优点,在过去的十多年中一直是研究热点。首先简介DPAL的原理和研究概况,接着回顾DPAL发展历程,评估DPAL目前取得的重要成果和发展前景,然后分析面临的技术挑战和影响因素,在提出解决方法的同时分析不同方法的优缺点,最后探讨满足实战化要求所面临的单项技术和系统问题的方法。

连续泵浦准分子宽带泵浦金属激光器泵浦阈值理论研究

基于四能级受激准分子宽带泵浦碱金属激光器(XPAL)的工作机理建立了连续波半导体激光器泵浦的四能级XPAL理论模型,该模型基于速率方程,考虑泵浦光线宽与伴峰吸收线宽,采用迭代算法求解,主要用于分析半导体激光器连续泵浦四能级XPAL系统的泵浦阈值特性。讨论了温度、蒸气室长度、泵浦光线宽、输出耦合率和惰性气体粒子数密度对泵浦阈值的影响,结果表明激光器存在一个最佳温度可以使泵浦阈值达到最小,且在最佳温度附近较大范围内泵浦阈值不会有较大变化。除此之外,对蒸气室长度、输出耦合率、泵浦光线宽和惰性气体粒子数密度的分析表明,相较于惰性气体粒子数密度,其他参数的变化对泵浦阈值的影响较小。而较高的惰性气体粒子数密度可以有效提升增益介质对泵浦光的吸收从而降低阈值。

双光子吸收碱金属蒸气激光器研究进展

蓝紫激光和中红外激光在基础研究和国防工程中有重要的应用前景。单光子吸收的碱金属蒸气激光器具有量子效率高、受激发射截面大和热管理性能好等优点,近些年来已成为激光领域中研究热点之一,目前已实现k W量级的输出。双光子吸收的碱金属蒸气激光器可实现蓝紫激光和中红外激光级联输出的特性,也引起越来越多的关注。本文从碱金属原子密度、泵浦光功率、偏振和频率失调量以及调控激光等几种影响因素出发,综述了双光子吸收碱金属蒸气激光的研究进展,在此基础上分析了影响激光输出特性的原因,最后对双光子吸收碱金属蒸气激光器的发展趋势进行了展望。

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。

高强度泵浦碱金属蒸气激光器的光参量振荡器

以电光调Q的Nd:YAG激光器为泵浦源,以磷酸氧钛钾(KTP)为非线性晶体,搭建了调谐范围为750～800nm的光参量振荡器。信号光在中心波长780.2nm处获得单脉冲能量113mJ、脉宽15.43ns、光斑直径5.5mm的输出。用光栅单色仪测量信号光光谱宽度(FWHM)为0.38nm。信号光通过120℃的铷蒸气池,观察到清晰的荧光轨迹。证明信号光能有效泵浦铷蒸气,可为铷激光器提供峰值功率7 MW的高强度脉冲泵浦源,进而研究铷激光器在高强度泵浦条件下的动力学过程和基础物理机制。

碱金属激光器窗口损坏过程与机理研究

以玻璃材料为例对含烃和无烃类半导体抽运碱金属蒸气激光器（DPAL）窗口在高功率连续抽运条件下的损伤过程和机理进行实验研究，通过相机的观察记录铷蒸气池窗口在高功率密度抽运光入射条件下的表面形貌变化，以及对照射后铷蒸气池窗口形貌的显微观察，得到实验结果表明DPAL窗口损伤存在热致物理损伤和化学损伤两种不同的过程，并对其机理进行了分析。该研究方法可应用于其他材料（如蓝宝石）DPAL窗口性能的诊断测试。