半導體泵浦亞穩態惰性氣體雷射器研究

《半導體泵浦亞穩態惰性氣體雷射器研究》是依託中國人民解放軍國防科技大學，由楊子寧擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：半導體泵浦亞穩態惰性氣體雷射器研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：楊子寧
• 依託單位：中國人民解放軍國防科技大學

中文摘要

半導體泵浦亞穩態惰性氣體雷射器（DPMRL）是在半導體泵浦鹼金屬蒸氣雷射器（DPAL）的研究基礎上新興的光泵浦氣體雷射器，由於亞穩態惰性氣體原子與鹼金屬原子具有結構和性質上的相似性，DPMRL繼承了DPAL的優勢，同時克服其介質內易於發生化學反應的不足，是極具發展潛力的新型高能雷射光源備選方案。本課題以DPMRL為研究對象，建立反映雷射器主要能級弛豫過程的速率方程模型；測量緩衝氣體對原子躍遷譜線的碰撞加寬係數，搭建與泵浦躍遷譜寬相匹配的窄線寬半導體泵浦源；研究緩衝氣體對泵浦與雷射上能級之間粒子數碰撞弛豫過程的影響，分析是否存在顯著影響雷射器三能級運轉機制的其他能級弛豫過程；測量DPMRL小信號增益，搭建諧振腔進行出光實驗，分析主要的參量影響與機制。本課題的研究將深化對DPMRL能級弛豫過程以及效率影響因素的理解，為進一步驗證DPMRL的高功率高效連續運轉能力奠定理論和實驗基礎。

結題摘要

半導體泵浦亞穩態惰性氣體雷射（Diode Pumped Metastable Rare Gas Laser, DPRGL）是在半導體泵浦鹼金屬雷射（Diode Pumped Alkali Laser, DPAL）基礎上發展的新型光泵浦氣體雷射，在兼具DPAL全電操作、高效緊湊等優點的同時克服其諸多不足，是極具潛力的新型高能雷射光源，在軍事定向能技術、基礎物理、以及醫學和航天等領域具有良好套用前景。本項目首先基於高精度HITRAN資料庫對不同類型DPRGL雷射波長大氣傳輸特性進行計算，綜合選擇兼具高量子效率和良好大氣傳輸特性的亞穩態氬原子雷射作為研究對象，考慮雷射過程所涉及的多能級和粒子數弛豫過程建立目前國際上最為完備的速率方程模型，深入分析運轉動力學機制、關鍵參量影響和能量分配渠道，明確雷射器工作的原子濃度、緩衝氣壓、泵浦強度以及熱沉積比例，在合理參量設定情況下得到≥60%理論光光轉換效率；國際上首次選擇介質阻擋放電方式用於實現大氣壓條件下大體積均勻Ar+He混合氣體放電用於產生亞穩態氬原子（1s5），在基於COMSOL理論仿真基礎上，分別設計並加工基於玻璃結構的驗證試件以及基於金屬結構的雙介質阻擋放電工程腔體，採用高壓正弦中頻放電模式（0-20kV，5-10kHz）進行激勵成功實現介質阻擋放電；對放電螢光特性進行分析明確譜線躍遷能級和布局數分布；分別採用基於單頻可調諧半導體吸收光譜法和基於超連續譜光源吸收光譜法進行亞穩態氬原子吸收測試，經過多輪工藝改進（包括真空密封、氣體純度、電極材料等）最終成功測到亞穩態原子吸收信號，濃度範圍在10e10-10e11cm-3，在此基礎上進一步明確產生亞穩態原子的工程與工藝條件；採用Littrow外腔結構對商用線陣半導體雷射器進行線寬壓窄實驗，實現中心波長811.75 nm、線寬~0.15 nm的1.5 W泵浦雷射輸出，光譜調諧範圍~6 nm，外腔效率~57%，可套用於亞穩態氬原子泵浦。本項目研究建成系統化DPRGL放電與泵浦實驗研究平台，明確雷射器主要粒子數弛豫過程以及影響光光轉換效率的主要物理因素和機制，為進一步評估光泵浦亞穩態惰性氣體雷射的高功率高效運轉奠定了良好的理論和實驗基礎。