半導體泵浦銣蒸氣激光器理論與實驗對比研究

李 琳，譚榮清，徐 程，李志永

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

1 引言

半導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，增益介質主要為蒸氣狀態的鉀(potassium，K)、銣(rubidium，Rb)或銫(cesium，Cs)。該激光器的特點有:極高的量子效率，熱效應問題不突出;增益介質為氣體，可采用流動散熱管理熱問題，光束質量好;激光波長處在大氣的近紅外傳輸窗口;泵浦源為半導體激光器，易于小型化;增益介質處于密封狀態且無毒性，不會對環境造成污染。這些特點使得DPAL在國防和軍事方面具有廣泛的應用前景。自從2003年美國利弗莫爾國家實驗室采用窄線寬的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展。2010年美國通用原子公司采用半導體激光器疊陣獲得了207W的銣激光輸出［2］，光光轉換效率接近10%。2012年2月，俄羅斯聯邦核中心實驗物理研究所報道了1 kW激光輸出流動增益介質的銫蒸氣激光器［3］，是目前報道的最高連續DPAL激光輸出功率。國內對DPAL的研究起步較晚，但也取得了一定的進展。2011年國防科大實現了國內首次出光［4］，輸出銣激光功率600 mW;中國科學院電子學研究所2012年獲得了功率17.5 mW的基模銣激光輸出，在此基礎上，經過優化后獲得了功率2.8 W的線偏振銣激光輸出［5］，光光轉換效率21%，斜率效率32%。

到目前為止，國內外對于 DPAL的實驗研究 及理論分析 均進行了較多報道，但是還缺乏將理論分析計算結果與激光輸出實驗相結合的研究報道。本文建立了一個三能級物理模型，根據實驗參量和估算，確立了求解模型所需的各種微觀碰撞過程的速率系數和輻射躍遷等相關數據，描述了單程端面半導體泵浦銣蒸氣激光器的激光特性，并與實驗結合進行驗證，結果表明實驗值與理論值相接近。

2 實驗設計與理論模型的建立

實驗中的半導體激光器線陣有19個發光單元，經壓窄線寬和光束整形后，光束經偏振分光棱鏡(PBS)反射后進入長約7 mm的銣蒸氣玻璃泡，焦點位于泡體中心附近，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。整體實驗光路如圖1所示。

圖1 激光器光路結構圖

根據上述實驗裝置的光路結構圖，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，設銣室兩端窗口片對泵浦光的透過率為Tp。激光在諧振腔中振蕩，設銣室窗口片對激光的透過率為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是三能級系統，基態能級為2S1/2，激光上能級為2P1/2，抽運高能級為2P3/2。假設入射的泵浦光功率密度是均勻的，三能級速率方程為:

各能級粒子數保持守恒，滿足條件:

總的銣粒子數密度由下式決定，與銣室溫度有關［15］:

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

3 計算結果與分析

3.1 泵浦光線寬對泵浦光吸收功率輸出激光功率的影響

計算中根據實驗情況［5］選取參數，為:銣蒸氣溫度T=418 K，充入甲烷壓強為Pmethane=600 Torr，增益介質長度為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，而市售半導體激光器的線寬很寬，為有效實現銣原子的泵浦，需要對半導體激光器的線寬進行壓窄［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，同時輸出的激光功率越大。為達到較好的實驗結果，泵浦光線寬不能大于0.15 nm。實驗中對半導體激光器的線寬壓窄到了0.13 nm，但考慮到實驗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顯示的是在實驗條件下，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，達到最大值(此時Toc=0.7)后，逐漸減小。實驗中輸出耦合率為0.2，0.5，0.7時的輸出激光分別為1.5 W，2.5 W，2.8 W，也是呈增長趨勢，從理論計算中可以預測，當輸出耦合率大于0.7時反而會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 銣室溫度對輸出激光功率的影響

圖5顯示的是銣室溫度理論值與實驗值的對比，可以看到，在410 K之前實驗值與理論值符合較好，但實驗值的最佳溫度為418 K，而計算顯示的最佳溫度為432 K。由于實驗中測量的是銣室外壁的溫度，理論計算的是銣室內部銣蒸氣的溫度，而銣室內部溫度由于熱效應等問題會比銣室外壁的溫度高，因此計算顯示的432 K也是合理的。

圖5 銣室溫度理論值與實驗值的對比

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，在本文實驗條件下，實驗值與理論計算值很接近，考慮到理論模型的簡化和參數設置的誤差，實際的實驗結果是在理論值附近浮動的;圖6(b)中根據理論值可以預測，實驗值是處在線性增長區，泵浦光為100 W時輸出銣激光功率可達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

本文以速率方程理論為基礎，研究了單端泵浦銣蒸氣激光器的激光特性。理論計算了泵浦光線寬、輸出耦合率、銣室溫度和泵浦光功率對輸出激光的影響，并與實驗結果進行對比。結果顯示，為獲得較大的激光輸出功率，泵浦光線寬不能大于0.15 nm，由于實驗中考慮到由線寬壓窄帶來的功率損耗較大，因此實驗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，到達最大值后減小，本文實驗條件下，輸出耦合率為0.7時，輸出激光為最大;存在使輸出激光功率達到最大的最佳溫度，由于實驗條件的限制，實驗中的最佳溫度比理論計算值低;在線性增長區中，激光功率隨泵浦光功率的增大而增大，并且實驗值與理論計算值相吻合，從計算結果中可以看到，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驗值與理論計算結果很好的相結合，對實驗設計起指導和預測作用。

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