半導體泵浦射頻連續放電氬原子氣體雷射器的研究

《半導體泵浦射頻連續放電氬原子氣體雷射器的研究》是依託華中科技大學，由秦應雄擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：半導體泵浦射頻連續放電氬原子氣體雷射器的研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：秦應雄
• 依託單位：華中科技大學

中文摘要

半導體泵浦稀有氣體雷射器以放電氣體作為工作介質通過半導體雷射泵浦實現雷射輸出，可有效防止高功率固態雷射的非線性效應，具有雷射功率高、光束質量好、量子效率高、良好大氣傳輸特性等優點，是未來高能雷射武器、超短脈衝雷射大規模工業套用等領域的重要的潛在光源。本項目擬用擴散冷卻平板射頻放電激勵方式，實現較高氣壓下的連續放電，建立RF放電產生亞穩態稀有氣體原子的機理模型，通過調節不同輔助氣體、放電結構、放電參數等方式，高效率地獲得亞穩態原子的高濃度分布並能進行較為精準的控制；測定放電稀有氣體吸收、輻射譜線，研究半導體泵浦放電稀有氣體的能級躍遷機理；探索亞穩態氬原子的產生、躍遷和消耗的動態平衡過程，建立兩級泵浦匹配的半導體泵浦連續放電稀有氣體雷射器的動力學模型；構建具有創新結構的高效率的半導體泵浦連續放電稀有氣體雷射器，獲得10瓦以上的連續雷射輸出，為今後更高功率的連續/脈衝雷射器的研發奠定物理基礎。

結題摘要

半導體泵浦稀有氣體雷射器通過半導體雷射泵浦放電惰性混合氣體，實現近紅外雷射輸出。該雷射器將半導體雷射泵浦與氣體雷射器的優勢相結合，被視為鹼金屬蒸氣雷射器的潛在替代方案，可以有效防止鹼金屬雷射器鏡片污染問題，具有量子效率高、適合大氣傳輸、光束質量好等優點，在大規模工業生產套用、太空能量傳輸和未來高能雷射武器等領域具有重要套用價值。 本項目提出了電光“兩級泵浦”模型，提出了更為完善的五能級結構半導體泵浦稀有氣體雷射器動力學模型，建立連續穩定運行時的泵浦方程與雷射輸出方程。針對連續混合氣體放電、工作介質密度與放電參量的關係展開了研究，結果表明，增大約化電場強度和氬氣摩爾分數可以有效增大工作介質密度，實現了對於高效獲得高密度工作介質的有效預測。分析了各項系統參量對於總效率影響，這些參量包含泵浦光強、氣體組分、約化電場強度、工作介質長度、混合氣體氣壓、輸出耦合鏡對於雷射波長的反射率，通過對各能級粒子產生與損耗的動態平衡過程展開了討論，表明兩級泵浦過程與非雷射損耗之間存在相互平衡與競爭，最終導致了上述參量均存在最佳值。針對稀有氣體吸收譜線、輻射譜線、能級躍遷以及能級展寬機制展開研究，並以此為基礎設計了基於端面泵浦和側面泵浦的多程泵浦結構，有效提高泵浦效率。針對目前國際上採用單腔端泵DPRGLs難以獲得高功率輸出的問題，開展了基於MOPA結構放大方案的研究，通過向放大器內注入種子雷射，實現高功率和高放大倍率的雷射輸出。通過對各項參數展開最佳化設計，得到了功率為100 kW的連續DPRGLs雷射輸出，其總效率為51.5%，光光轉換效率為62.5%，該研究方案對於實現滿足工業需求和國防需求的高功率、高總效率的DPRGLs系統具有重要意義。