半导体泵浦亚稳态氩气激光器研究

作为一种新型的光泵气体激光器,半导体泵浦亚稳态稀有气体激光器(Diode-pumped metastable rare gas lasers,DPRGLs)凭借其在高光束质量、高功率激光输出方面的潜力,已得到国内外研究学者的密切关注。目前,国外研究人员已实现DPRGL的10 W级连续激光输出。本文以Ar/He混合气体为具体研究对象,从实验和理论两个方面对DPRGL进行了研究。基于体布拉格光栅(volume Bragg grating,VBG)构建复合外腔半导体激光器(External cavity diode laser,ECDL)的方法对单管半导体激光(Laser Diode,LD)进行线宽窄化。利用衍射效率为70%、带宽为0.05 nm的VBG,ECDL窄化后的LD谱宽仅为自由运转情况下的1.2%(~10 GHz),接近氩亚稳态原子(Ar*)在一个大气压氦气加宽后的吸收线宽(~8 GHz);外腔功率效率约65%,最大输出功率可达6.5 W,该窄线宽半导体激光泵浦源可用于后续的Ar*泵浦实验。平行平板式的射频容性放电方式适合大体积放电。利用13.56 MHz射频激励方式进行了Ar/He混合气体的封闭放电实验研究。实现了1.3个大气压下的混合气体(Ar/He=1:49)长时间稳定辉光放电(大于3小时);放电等离子体的体积达4 cm~3,吸收光谱测试得Ar*粒子数密度处在10~(10)-10~(11) cm~(-3)量级。此外,利用发射光谱诊断方法,重点分析了等离子体的转动温度、电子激发温度、电子密度与气压、放电状态(辉光与弧光)、极板类型(裸金属电极和介质覆盖电极)的关系;进行了长时间的放电监测,并分析了水蒸气和氮气含量对Ar*损耗速率的影响。理论模拟可为后续泵浦实验研究提供指导。进行了LD泵浦Ar*激光的理论模拟,对双程纵向泵浦结构Ar*激光器的激光性能、光光效率相关影响因素、Ar*粒子数密度的影响因素进行了分析和讨论。当Ar*粒子数密度达到10~(13) cm~(-3)数量级时,Ar*激光的小信号增益系数高达~1 cm~(-1),光光效率能够达到55%。约化场强(E/N)对Ar*粒子数密度影响很大,为实现对1s_5能级的高效放电激励,放电气隙的E/N需要达到10 Td(1 Td=10~(-17) V·cm~2)以上。针对1s_4与1s_5能级在室温下低热弛豫系数造成的“瓶颈”问题,提出了双波长泵浦方案,并通过理论计算验证了该方案的有效性—沿1s_4-2p_(10)跃迁添加一束强度较弱(泵浦强度为主泵浦强度的1%量级)的辅泵浦光(波长965.7nm,靠近一种大功率半导体激光波段—980 nm),Ar/He激光体系在室温下的“瓶颈问题”即可得到有效缓解。进行了LD泵浦Ar*激光器的实验研究。采用窄线宽半导体泵浦源对上述射频放电等离子体进行纵向泵浦,实现了LD泵浦Ar*激光的激光振荡和封闭运行,出射激光具有较好的模式(接近TEM_(00)模)。非激射状态下,4 cm~3的等离子体对泵浦光的吸收功率推算可达~1.5 W(泵浦强度~90 W/cm~2)。此外,研究还发现:放电气压会影响出射激光的功率和光斑形状;采用不同的放电电极(裸金属电极和介质覆盖电极)也会对激光的功率和光斑形状产生较大影响。以功率放大为目标,建立了一种横向双程泵浦的DPRGL模型并进行了理论模拟。该模型可计算腔内的各能级粒子数密度、泵浦光、产热和荧光的空间分布,以及泵浦光沿传播方向的谱分布。利用该模型,还计算了DPRGL实现不同输出功率目标对等离子体体积的要求,其中每兆瓦输出所需放电体积至少为几升;分析了DPRGL的热管理问题—该型激光在兆瓦级输出功率下的热管理问题突出,但可通过现有高功率气体激光技术解决(传导冷却和扩散冷却相结合)。本论文对DPRGL的理论研究和实验探索,取得了一些有意义的研究结果,有利于推动DPRGL的进一步发展。