LD泵浦铯蒸汽激光器的理论建模与工作特性研究

发布时间：2017-09-30 06:21

  本文关键词：LD泵浦铯蒸汽激光器的理论建模与工作特性研究

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【摘要】：近年来,碱金属蒸汽激光器因涵盖了蓝光和近、中红外等多波段的激光谱线输出而受到越来越多的关注,其中具备高功率输出潜力的半导体泵浦碱金属蒸汽激光器(Diode-pumped alkila vapor laser,DPAL)尤其得到研究人员的深入研究。DPAL在碱金属原子的D2线上进行泵浦抽运(n2S1/2→n2P3/2),在D1线上实现激光发射(n2P1/2→n2S1/2),输出波长位于近红外波段(Cs,894.6 nm;Rb,795.0 nm;K,770.0 nm),该机制下的DPAL具有极高的量子效率(Cs,95.2%;Rb,98.1%;K,99.5%)。DPAL具有热效应小、光束质量好和结构紧凑体积小等特点,属于半导体泵浦的气体激光器。基于这些优点,DPAL是一种极具发展潜力的高功率激光器,而国外也已于近期实现了千瓦级的连续铯激光输出,有望在激光加工、航空航天、医学医疗、国防军事等领域获得应用。鉴于此,本文从理论和实验两方面对铯DPAL开展了研究,主要包括以下内容:1、在DPAL的理论建模中,采用速率方程理论,在考虑碱金属原子D2线的碰撞展宽效应和实际LD输出的高斯谱线线型的情况下,引入有效泵浦光强建立了端面连续泵浦DPAL的理论模型,利用不动点迭代算法对该模型进行了快速求解,后期实验证明该模型在一定程度上是合理的;并在此基础上,进一步建立了脉冲泵浦DPAL的理论模型。2、在连续DPAL的理论分析中,首先以铯DPAL为例分析了激光器在小信号增益建立、增益饱和、稳定振荡这三个状态下的各能级粒子数密度随光强的演化特性、以及增益和吸收特性,结果表明在激光建立过程中,有效泵浦光强和增益系数逐渐由小信号值减小,而吸收系数则由小信号值逐渐增大,最后三者同时达到稳定。同时,深入分析了铯DPAL的阈值问题,包括运行温度、增益长度、受激辐射截面和精细结构弛豫速率的临界值情况,以及阈值泵浦光强,结果表明DPAL的最低运行温度、最短增益长度、最小受激辐射截面和最慢精细结构弛豫速率彼此相互制约。此外,模拟了铯DPAL的连续输出工作特性,并同时优化了运行温度、缓冲气体(氦气和乙烷)压强、输出镜反射率等关键参量。最后,对无烃铷DPAL和无烃钾DPAL的工作特性进行了对比分析,结果表明无烃钾DPAL的荧光辐射更少、增益更高、阈值泵浦功率更低。3、在脉冲DPAL的理论分析中:以铯DPAL为例模拟了其各能级粒子数密度随时间的演化过程,分析了铯DPAL的弛豫振荡现象,结果表明铯DPAL能形成脉宽极窄(ps级)、峰值功率较高的主尖峰,利用该特性可以对铯DPAL进行增益调制来获得峰值功率较高、时间分辨率较好的激光脉冲,即增益开关型脉冲铯DPAL;计算了增益开关型脉冲铯DPAL的峰值功率、脉宽等参量,结果表明优化输出镜反射率和运行温度、同时尽量缩短腔长,可以进一步压缩脉宽并提高峰值功率。4、设计并搭建了实验平台,开展了对连续泵浦和脉冲准连续泵浦铯DPAL的实验研究。在连续泵浦模式下,对铯DPAL的输出镜反射率和准直透镜焦距进行了优化,分析了运行温度等参量对激光器输出性能的影响,最终获得了波长894.57 nm、线宽0.032nm的基横模铯激光输出,最大连续输出功率为1.74 W、最大斜效率为29.15%、最大光光效率为24%;在脉冲准连续泵浦模式下,对铯DPAL的峰值功率和斜效率进行了研究,分析了热效应,并测量了激光波形和脉宽,最终获得了最大峰值功率为3 W、最大斜效率为24.2%、最大光光效率为20.53%的铯激光输出。
【关键词】：半导体泵浦气体激光器 碱金属蒸汽激光器 半导体泵浦铯蒸汽激光器 理论模型 激光工作特性 增益开关
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN248
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-9
• 目录9-13
• 第1章 绪论13-27
• 1.1 研究背景与意义13-16
• 1.2 DPAL的国内外发展现状16-24
• 1.3 本文的内容及结构安排24-27
• 1.3.1 研究内容24-25
• 1.3.2 论文结构安排25-27
• 第2章 铯基本性质、碱金属蒸汽激光器运行条件及关键技术27-47
• 2.1 铯的基本性质27-31
• 2.1.1 物理性质27-29
• 2.1.2 能级结构及光谱性质29-31
• 2.2 铯原子的泵浦发光机制和DPAL的运行条件31-35
• 2.2.1 铯原子的泵浦发光机制31-34
• 2.2.2 DPAL运行条件34-35
• 2.3 DPAL关键技术35-45
• 2.3.1 原子吸收谱与泵浦源发射谱的光谱匹配35-39
• 2.3.2 碱金属原子在精细结构能级间的快速弛豫39-41
• 2.3.3 泵浦耦合技术41-43
• 2.3.4 蒸汽池的热管理43-45
• 2.4 本章小结45-47
• 第3章 连续泵浦碱金属蒸汽激光器理论建模47-65
• 3.1 端面泵浦DPAL速率方程和有效泵浦光强47-52
• 3.1.1 速率方程47-50
• 3.1.2 有效泵浦光强50-52
• 3.2 各能级粒子数密度52-58
• 3.2.1 小信号增益建立时的各能级粒子数密度52-55
• 3.2.2 增益饱和过程中的各能级粒子数密度55-56
• 3.2.3 稳定振荡时的各能级粒子数密度56-58
• 3.3 有效激光光强和输出激光光强58-62
• 3.3.1 有效激光光强58-60
• 3.3.2 输出激光光强60-62
• 3.4 模型的数值求解算法62-63
• 3.5 本章小结63-65
• 第4章 连续泵浦碱金属蒸汽激光器工作特性理论研究与分析65-95
• 4.1 端面连续泵浦铯DPAL增益和吸收特性65-72
• 4.1.1 小信号增益和吸收系数66-69
• 4.1.2 增益和吸收系数的饱和过程69-71
• 4.1.3 稳定振荡时的增益和吸收系数71-72
• 4.2 铯DPAL的阈值问题72-83
• 4.2.1 铯DPAL的阈值条件72-73
• 4.2.2 运行参量的临界值73-79
• 4.2.3 阈值泵浦光强79-83
• 4.3 铯DPAL的连续输出特性和运行参量优化83-88
• 4.3.1 铯DPAL的连续输出特性83-87
• 4.3.2 铯DPAL的运行参量优化87-88
• 4.4 无烃DPAL工作特性分析88-92
• 4.5 本章小结92-95
• 第5章LD连续泵浦铯蒸汽激光器实验研究95-117
• 5.1 端面泵浦铯DPAL实验系统设计95-102
• 5.1.1 系统结构和原理95-96
• 5.1.2 泵浦源、泵浦光耦合装置和谐振腔96-98
• 5.1.3 增益装置98-102
• 5.2 连续泵浦铯DPAL实验结果分析102-112
• 5.2.1 铯DPAL的调试出光102-105
• 5.2.2 输出功率、光光效率和斜效率105-106
• 5.2.3 最佳输出镜反射率106-107
• 5.2.4 准直透镜焦距的影响107-109
• 5.2.5 最低运行温度及温度对效率的影响109-112
• 5.3 实验结果与理论计算对比112-115
• 5.4 本章小结115-117
• 第6章 脉冲泵浦铯蒸汽激光器理论与实验研究117-135
• 6.1 脉冲泵浦铯DPAL理论模型117-122
• 6.1.1 脉冲泵浦铯DPAL速率方程117-119
• 6.1.2 铯DPAL的弛豫振荡119-122
• 6.2 增益开关型脉冲铯DPAL工作特性122-126
• 6.2.1 泵浦作用时间123-124
• 6.2.2 输出特性模拟及分析124-126
• 6.3 脉冲准连续泵浦铯DPAL的实验结果及分析126-133
• 6.3.1 脉冲泵浦对热效应的改善126-129
• 6.3.2 脉冲泵浦的斜效率和阈值泵浦功率129-130
• 6.3.3 铯激光波形及理论对比130-133
• 6.4 本章小结133-135
• 第7章 总结与展望135-139
• 7.1 论文总结135-137
• 7.2 创新点137
• 7.3 研究展望137-139
• 参考文献139-153
• 在学期间学术成果情况153-155
• 指导教师及作者简介155-157
• 致谢157

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