二极管泵浦碱金属蒸气激光及其放大器的理论研究

发布时间：2020-03-31 21:04

【摘要】：二极管泵浦碱金属蒸气激光器(Diode Pumped Alkali Vapor Lasers,DPALs)具有量子效率高、散热好、光束质量好、工作物质无毒和线宽窄等优点,在激光加工和材料处理、定向能量传输、医疗等领域有着广泛的应用前景。21世纪以来,随着半导体泵浦源技术的发展,DPALs也进入了快速发展的时期。近十多年来,世界各国研究小组采用不同的实验方案和技术,实现了多种泵浦方式的DPALs高效稳定的运转。为了进一步提高激光输出功率,研究人员进行各种实验和理论研究,例如:加大泵浦源的功率、采用横向泵浦方式、采用液体流动冷却法或增益介质流动法、对DPAAs(Diode Pumped Alkali Vapor Laser Amplifiers:二极管泵浦碱金属蒸气激光放大器)进行研究等,实现了千瓦级以上的激光输出。本文第1章介绍了 DPALs和DPAAs的背景、发展历程以及国内外的研究现状。第2章从碱金属原子的性质及能级方面阐释DPALs的工作原理,分析讨论了要实现DPALs高效稳定运转的条件;此外,还介绍分析了 DPALs和DPAAs在近十多年里的相关实验及经典动力学模型。第3章在考虑饱和放大效应、放大自发辐射(ASE)和增益介质流动的基础上,建立一个四端侧面泵浦流动气体的DPAA模型。先通过与相关实验的比较,证实了本模型的正确性;再结合相关实验参数,模拟计算了温度、流速以及放大池长度等工作参量对激光输出性能的影响,获得了一组优化的工作参量组合,为此类激光放大器在实验上的优化设计提供指导和借鉴。鉴于不利过程(猝灭、能量碰撞转移、光激发、彭宁电离和光电离)对激光输出性能有着负面的影响,且目前没有关于怎样降低DPAAs中这些负面影响的研究报道。因此,第4章我们建立了一个准五能级的流动气体DPAA模型,模拟分析了一些重要的工作参数(泵浦光功率、种子光功率、流速、放大池长)对这些不利过程的影响。结果表明强的泵浦光能加重这些不利过程的负面影响,但是适当大的种子光功率以及优化的工作参数(流速和放大池长)则有利于降低这些不利过程的负面影响。第5章我们建立了一个柱坐标下的四维脉冲泵浦DPAL模型。结合环形切割法、交替方向隐式差分法(ADI)、洛必达法则、牛顿法以及追赶法,运用MATLAB求解速率方程和热传导方程。在单脉冲泵浦条件下,计算分析了泵浦光光强、激光光强以及粒子数密度的时空分布;之后又模拟讨论了多脉冲泵浦条件下的激光输出能量以及激光峰值随脉宽和脉冲间隔的变化情况,得到了实现更高的激光输出能量和激光峰值功率的方法。在考虑猝灭、饱和放大效应和放大自发辐射的基础上,第6章我们首次建立了一个脉冲泵浦DPAA模型,模拟分析了温度、放大激光强度的时空分布以及不同泵浦时刻种子光功率对输出的放大激光功率的影响。
【图文】：

碱金属原子,三能级,泵浦,上能级

逑２．１．２碱金属原子的能级逡逑碱金属原子的能级结构筒图如图２．邋１所示，ｎ２Ｓ１／２是基态能级，ｎ２Ｐ１／２和ｎ２Ｐ３／２是逡逑激发态能级，分别对应着激光上能级和泵浦上能级（两个激发态能级是由于自旋逡逑和轨道的相互作用产生的）。其中ｎ代表碱金属原子的主量子数，锂、钠、钾、逡逑铷、铯的ｎ依次为２、３、４、５、６［３］。粒子从基态ｎ２Ｓ１／２到激发态ｎ２Ｐ３／２邋（泵浦上能逡逑级）的跃迁称为泵浦跃迁，对应图中的Ｄ２线；从激发态ｎ２Ｐ１／２邋（激光上能级）到基逡逑态ｎ：Ｓ１２的跃迁称为激光跃迁，对应图中的Ｄ１线。在外界泵浦光的作用下，基态逡逑ｎ２Ｓ１２上的粒子受激吸收跃迁到泵浦上能级ｎ２Ｐ３／２邋；接着在缓冲气体的作用下，泵浦逡逑１１逡逑

碱金属原子,泵浦波长,半导体激光器,波长范围

逦ｉ逦ｎ％２逡逑图２．１碱金属原子的三能级结构简图逡逑表２．邋２碱金属原子的Ｄ１和Ｄ２线、量子效率以及能级差逡逑减金属元素Ｄ２线（ｎｍ）邋Ｄ１线（ｎｍ）邋ＡＥ（／ｃｍ）量子效率（％）逡逑￣Ｔｉ逦６７０．９６逦６７０．９８逦０？３４逦？１００°／0逡逑Ｎａ逦５８９．邋１６逦５８９．邋７６逦１７．２逦９９．９％逡逑Ｋ逦￣＂７６６．邋７０逦７７０．邋１１逦５７７７逦９９．邋６％逡逑７８０．２５逦７９４．９８逦２３７．５逦９８．邋１％逡逑￣Ｃｓ逦８５２．３５逦８９４．邋５９逦５４４．邋１逦９５．３％逡逑不稳定，不易产生激光逡逑如表２．邋２所示［４］，由于碱金属原子两个激发态能级（激光上能级和泵浦上能逡逑级）间隔ＡＥ很小，所以ＤＰＡＬｓ具有很高的量子效率（钾、铷、铯的量子效率分别逡逑为９９．邋６％，邋９８．邋１％，邋９５．邋３％），且由量子亏损带来的废热也少，有望获得较高的光逡逑光转换效率。但并非所有的减金属都适合用作ＤＰＡＬｓ的工作物质，，碱金属中钠和逡逑锂的激光上能级和泵浦上能级之间的间隔太小（分别为１７．邋２／ｃｍ和０．邋３４／ｃｍ），而逡逑且它们具有较高的激光阈值，所以很难实现激光上能级和泵浦下能级间的粒子数逡逑反转。而Ｆｒ元素也不稳定
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN248;TN722

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