半導(dǎo)體泵浦銣蒸氣激光器理論與實(shí)驗(yàn)對比研究

李 琳，譚榮清，徐 程，李志永

(1.中國科學(xué)院電子學(xué)研究所高功率氣體激光技術(shù)部，北京100190;2.中國科學(xué)院研究生院，北京100190)

1 引言

半導(dǎo)體激光泵浦堿金屬蒸氣激光器(Diode Pumped Alkali vapor Laser，DPAL)是一種新型的光泵浦氣體激光器，增益介質(zhì)主要為蒸氣狀態(tài)的鉀(potassium，K)、銣(rubidium，Rb)或銫(cesium，Cs)。該激光器的特點(diǎn)有:極高的量子效率，熱效應(yīng)問題不突出;增益介質(zhì)為氣體，可采用流動(dòng)散熱管理熱問題，光束質(zhì)量好;激光波長處在大氣的近紅外傳輸窗口;泵浦源為半導(dǎo)體激光器，易于小型化;增益介質(zhì)處于密封狀態(tài)且無毒性，不會(huì)對環(huán)境造成污染。這些特點(diǎn)使得DPAL在國防和軍事方面具有廣泛的應(yīng)用前景。自從2003年美國利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室采用窄線寬的Ti:Sapphire激光器作為替代泵浦源獲得銣激光輸出以來［1］，DPAL在高功率激光輸出方面獲得了迅速發(fā)展。2010年美國通用原子公司采用半導(dǎo)體激光器疊陣獲得了207W的銣激光輸出［2］，光光轉(zhuǎn)換效率接近10%。2012年2月，俄羅斯聯(lián)邦核中心實(shí)驗(yàn)物理研究所報(bào)道了1 kW激光輸出流動(dòng)增益介質(zhì)的銫蒸氣激光器［3］，是目前報(bào)道的最高連續(xù)DPAL激光輸出功率。國內(nèi)對DPAL的研究起步較晚，但也取得了一定的進(jìn)展。2011年國防科大實(shí)現(xiàn)了國內(nèi)首次出光［4］，輸出銣激光功率600 mW;中國科學(xué)院電子學(xué)研究所2012年獲得了功率17.5 mW的基模銣激光輸出，在此基礎(chǔ)上，經(jīng)過優(yōu)化后獲得了功率2.8 W的線偏振銣激光輸出［5］，光光轉(zhuǎn)換效率21%，斜率效率32%。

到目前為止，國內(nèi)外對于 DPAL的實(shí)驗(yàn)研究 及理論分析 均進(jìn)行了較多報(bào)道，但是還缺乏將理論分析計(jì)算結(jié)果與激光輸出實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的研究報(bào)道。本文建立了一個(gè)三能級(jí)物理模型，根據(jù)實(shí)驗(yàn)參量和估算，確立了求解模型所需的各種微觀碰撞過程的速率系數(shù)和輻射躍遷等相關(guān)數(shù)據(jù)，描述了單程端面半導(dǎo)體泵浦銣蒸氣激光器的激光特性，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)合進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明實(shí)驗(yàn)值與理論值相接近。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與理論模型的建立

實(shí)驗(yàn)中的半導(dǎo)體激光器線陣有19個(gè)發(fā)光單元，經(jīng)壓窄線寬和光束整形后，光束經(jīng)偏振分光棱鏡(PBS)反射后進(jìn)入長約7 mm的銣蒸氣玻璃泡，焦點(diǎn)位于泡體中心附近，銣泡充入79 kPa的甲烷作為緩沖氣體。泵浦光相對于PBS為S偏振，銣激光為P偏振。諧振腔為腔長約105 mm的穩(wěn)定腔，輸出鏡為平面鏡，全反鏡為球面鏡，曲率半徑200 mm。整體實(shí)驗(yàn)光路如圖1所示。

圖1 激光器光路結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)裝置的光路結(jié)構(gòu)圖，簡化出了單程端面泵浦銣蒸氣激光器的原理圖，如圖2所示。泵浦光從左至右單程通過銣蒸氣室，設(shè)銣?zhǔn)覂啥舜翱谄瑢Ρ闷止獾耐高^率為Tp。激光在諧振腔中振蕩，設(shè)銣?zhǔn)掖翱谄瑢す獾耐高^率為Tl，諧振腔一端是全反射鏡，對激光的反射率為Rl，激光最終通過諧振腔另一端的輸出耦合鏡輸出，輸出耦合鏡的反射率為Roc(輸出耦合率Toc=1－Roc)。

圖2 單程端面泵浦堿金屬蒸氣激光器原理圖

DPAL是三能級(jí)系統(tǒng)，基態(tài)能級(jí)為2S1/2，激光上能級(jí)為2P1/2，抽運(yùn)高能級(jí)為2P3/2。假設(shè)入射的泵浦光功率密度是均勻的，三能級(jí)速率方程為:

各能級(jí)粒子數(shù)保持守恒，滿足條件:

總的銣粒子數(shù)密度由下式?jīng)Q定，與銣?zhǔn)覝囟扔嘘P(guān)［15］:

n1(z)，n2(z)，n3(z)分別為增益介質(zhì)某一位置z處的 2S1/2、2P1/2、2P3/2能級(jí)粒子數(shù)密度，σ31(ν)、σ21分別為泵浦光吸收截面和激光發(fā)射截面，νp、νl分別為泵浦光頻率和激光頻率，τ31、τ21分別為能級(jí)2P3/2、2P1/2的壽命，ΔE 為2P3/2和2P1/2能級(jí)之間的能量差，γmix為2P3/2和2P1/2能級(jí)之間的精細(xì)結(jié)構(gòu)混合速率(與充入烷烴類緩沖氣體壓強(qiáng)有關(guān))，h為普朗克常數(shù)，kB為波爾茲曼常數(shù)，T為銣蒸氣溫度，Ip(z，ν)為增益介質(zhì)某一位置z處某一頻率的泵浦光功率密度，I±l(z)分別對應(yīng)增益介質(zhì)某一位置z處向前傳播和向后傳播的激光功率密度。穩(wěn)態(tài)情況下，聯(lián)立式(1)～(7)，通過迭代計(jì)算，在給定的參數(shù)條件下，我們可以求出輸出激光功率Pout。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 泵浦光線寬對泵浦光吸收功率輸出激光功率的影響

計(jì)算中根據(jù)實(shí)驗(yàn)情況［5］選取參數(shù)，為:銣蒸氣溫度T=418 K，充入甲烷壓強(qiáng)為Pmethane=600 Torr，增益介質(zhì)長度為l=7 mm，輸出耦合鏡反射率為Roc=0.3，泵浦光功率為Pin=13 W。圖3顯示的泵浦光線寬對泵浦光吸收功率和輸出激光功率的影響。由于銣原子本身D2線的吸收線寬很窄，而市售半導(dǎo)體激光器的線寬很寬，為有效實(shí)現(xiàn)銣原子的泵浦，需要對半導(dǎo)體激光器的線寬進(jìn)行壓窄［16］。從圖3中可以看到，在充入甲烷600 Torr的情況下，泵浦線寬越窄，對泵浦光的吸收功率越大，同時(shí)輸出的激光功率越大。為達(dá)到較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，泵浦光線寬不能大于0.15 nm。實(shí)驗(yàn)中對半導(dǎo)體激光器的線寬壓窄到了0.13 nm，但考慮到實(shí)驗(yàn)的可操作性和安全性，泵浦光線寬壓窄到0.13 nm是可行的。

圖3 泵浦光線寬對泵浦光吸收功率和輸出激光功率的影響

3.2 輸出耦合率對輸出激光功率的影響

圖4顯示的是在實(shí)驗(yàn)條件下，輸出耦合率對輸出激光的影響。可以看到，隨著輸出耦合率的增加，輸出激光功率不斷增大，達(dá)到最大值(此時(shí)Toc=0.7)后，逐漸減小。實(shí)驗(yàn)中輸出耦合率為0.2，0.5，0.7時(shí)的輸出激光分別為1.5 W，2.5 W，2.8 W，也是呈增長趨勢，從理論計(jì)算中可以預(yù)測，當(dāng)輸出耦合率大于0.7時(shí)反而會(huì)引起輸出激光功率的減小。

圖4 輸出耦合率對輸出激光功率的影響

3.3 銣?zhǔn)覝囟葘敵黾す夤β实挠绊?/h3>

圖5顯示的是銣?zhǔn)覝囟壤碚撝蹬c實(shí)驗(yàn)值的對比，可以看到，在410 K之前實(shí)驗(yàn)值與理論值符合較好，但實(shí)驗(yàn)值的最佳溫度為418 K，而計(jì)算顯示的最佳溫度為432 K。由于實(shí)驗(yàn)中測量的是銣?zhǔn)彝獗诘臏囟龋碚撚?jì)算的是銣?zhǔn)覂?nèi)部銣蒸氣的溫度，而銣?zhǔn)覂?nèi)部溫度由于熱效應(yīng)等問題會(huì)比銣?zhǔn)彝獗诘臏囟雀撸虼擞?jì)算顯示的432 K也是合理的。

圖5 銣?zhǔn)覝囟壤碚撝蹬c實(shí)驗(yàn)值的對比

3.4 泵浦光功率對輸出激光功率的影響

圖6顯示的泵浦光功率對輸出激光功率的影響。從圖6(a)可以看到，在本文實(shí)驗(yàn)條件下，實(shí)驗(yàn)值與理論計(jì)算值很接近，考慮到理論模型的簡化和參數(shù)設(shè)置的誤差，實(shí)際的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是在理論值附近浮動(dòng)的;圖6(b)中根據(jù)理論值可以預(yù)測，實(shí)驗(yàn)值是處在線性增長區(qū)，泵浦光為100 W時(shí)輸出銣激光功率可達(dá)25 W，若能采用更大的泵浦光功率將可以獲得更大的激光輸出功率。

4 總結(jié)

本文以速率方程理論為基礎(chǔ)，研究了單端泵浦銣蒸氣激光器的激光特性。理論計(jì)算了泵浦光線寬、輸出耦合率、銣?zhǔn)覝囟群捅闷止夤β蕦敵黾す獾挠绊懀⑴c實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比。結(jié)果顯示，為獲得較大的激光輸出功率，泵浦光線寬不能大于0.15 nm，由于實(shí)驗(yàn)中考慮到由線寬壓窄帶來的功率損耗較大，因此實(shí)驗(yàn)條件中泵浦光線寬為0.13 nm是可行的;輸出激光功率隨輸出耦合率的增大先增大，到達(dá)最大值后減小，本文實(shí)驗(yàn)條件下，輸出耦合率為0.7時(shí)，輸出激光為最大;存在使輸出激光功率達(dá)到最大的最佳溫度，由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，實(shí)驗(yàn)中的最佳溫度比理論計(jì)算值低;在線性增長區(qū)中，激光功率隨泵浦光功率的增大而增大，并且實(shí)驗(yàn)值與理論計(jì)算值相吻合，從計(jì)算結(jié)果中可以看到，若能采用更大的泵浦光功率將可以獲得更大的激光輸出功率。該理論模型能夠使實(shí)驗(yàn)值與理論計(jì)算結(jié)果很好的相結(jié)合，對實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)起指導(dǎo)和預(yù)測作用。

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