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双光子吸收泵浦碱金属蒸气激光理论建模与特性研究

俞航航  
【摘要】:半导体泵浦的碱金属蒸气激光器(Diode-pumped alkali vapor laser,DPAL)具有量子效率高,光束质量好和具备高功率输出潜力等优点,近年来得到了大力发展。与此同时,双光子吸收泵浦的碱金属蒸气激光器(Two-photon excitation of alkali vapor laser,TPEAL)因具有蓝光和中红外光多波段同轴输出的优势以及优越的物理特性也引起越来越多研究人员的关注。碱金属原子借助于中间能级(nP)或者是虚能级通过双光子吸收的方式跃迁到高能级(nS_(1/2)?n,n+1D),然后由放大自发辐射触发的四波混频效应实现中红外和蓝光波段激光同步输出。TPEAL中的四波混频过程逐步应用在光子存储,量子记忆及量子计算等方面,未来有望在红外制导、红外探测和激光水下通信等领域取得应用。目前,国内外开展了大量探索性的研究,但由于TPEAL过程相对于普通四波混频的特殊性,理论上对其泵浦阈值,吸收截面等工作特性的系统研究屈指可数,极大制约了TPEAL的发展。鉴于此,本文采用理论建模,数值仿真与实验数据验证和分析相结合的方法,对双光子吸收泵浦碱金属蒸气激光器的工作特性进行了深入的研究,主要内容如下:1、详述了双光子吸收泵浦碱金属蒸气激光器的国内外现状,比较和分析Rb和Cs两类碱金属蒸气的特点,指出了现阶段TPEAL过程研究中存在的问题。在简要概述碱金属原子物理性质的基础上,阐明了双光子吸收的泵浦方式,重点求解了构建模型和特性分析中所需要的关键参量,为TPEAL运行机理和关键特性的理论研究提供了参量基础。2、在TPEAL模型建立过程中,采用耦合波方程描述了碱金属蒸气中的四波混频过程,并对耦合波方程进行了小信号求解。在求解过程中结合放大自发辐射理论给出了方程的边界条件和初始项,从而获得了中红外光和蓝光的光电场强度的传输表达式,进而讨论了中红外光和蓝光的光强变化规律,为系统分析双光子泵浦碱金属蒸气激光器的出光特性提供理论基础。3、提出了双光子吸收截面参量用于更好地描述Rb和Cs两类碱金属蒸气的双光子吸收过程以及定量分析其双光子吸收特性。由耦合波方程出发分别对Rb原子和Cs原子在单波长和双波长两种泵浦方式下的吸收截面进行了理论建模和特性分析,将结果与实验数据对比,二者符合较好,验证了模型的有效性;随后在考虑原子超精细能级结构的基础上重点分析了工作温度和泵浦光频率偏移量对吸收截面的影响,发现泵浦光频移量是影响吸收截面最重要的因素。双光子吸收截面参量的提出对TPEAL吸收过程的定量描述和分析有重要的意义。4、建立了TPEAL过程的泵浦阈值模型并进行了系统的研究。将耦合波理论与速率方程相结合建立了单波长泵浦方式下的阈值模型,通过与实验数据的对比验证了模型的有效性,随后对泵浦阈值特性的分析确定了泵浦光频率偏移量和蒸气池温度对泵浦阈值的决定性影响。同时在单波长泵浦模型的基础上构建了双波长泵浦的阈值模型,与单波长泵浦模型结果对比发现双波长泵浦方式下,TPEAL运行的阈值远远小于单波长泵浦时的情况,泵浦光频移量和工作温度等因素对阈值的影响在两种泵浦方式下出现很大的差别。5、针对碱金属蒸气中四波混频的相位匹配情况分为了非共线相位匹配和共线相位匹配开展了研究。采用图形法对非共线相位匹配进行分析,给出了泵浦矢量与最大相位匹配角之间的关系,发现泵浦光在小角度范围内都可以实现相位匹配;为了更精确描述碱金属蒸气的相位匹配过程,在共线相位匹配研究的基础上引入折射率的非线性项,并分析了影响共线相位匹配的因素,结果表明泵浦功率密度、泵浦光频移量等参量对非线性相位匹配影响显著,相位匹配特性的研究有助于实现高效的TPEAL过程。论文对双光子吸收泵浦的碱金属蒸气激光器展开了深入的研究,解决了定量描述其实现过程及特性的难题,为后续TPEAL实验研究的开展和高效激光输出的实现提供理论指导。


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