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光泵浦亚稳态惰性气体激光器探索研究

余光其  
【摘要】:半导体泵浦碱金属蒸气激光器(DPAL)具有量子效率高、气体介质流动循环散热、全电操作等优势,具备单口径高功率输出潜力;但碱金属原子活泼的化学属性不利于其功率定标放大。光泵浦亚稳态惰性气体激光器(OPRGL)是继DPAL提出的新型光泵浦气体激光概念,有望继承DPAL的优势并克服其问题,具有研究价值。鉴于此,本文开展OPRGL的理论研究和实验探索,主要包括以下几个方面的内容:1、阐述了OPRGL基本工作原理,基于HITRAN计算研究了亚稳态氩、氪、和氙激光大气传输特性,结果表明氩原子激光器具有相对最为优越大气透过性,适合长距离传输,因此本文选择光泵浦Ar*激光器作为研究对象。2、在文献基础上进一步全面考虑激光过程涉及的能级和弛豫过程,建立速率方程模型并提出数值算法,通过与文献实验结果对比验证模型有效性;仿真分析激光器主要参量影响和泵浦能量分配,结果表明:在2-5kW/cm2泵浦强度和~1atm氦气缓冲气体条件下,亚稳态氩原子激光器可以实现~50-60%的理论光-光转换效率;同时,由于多能级无辐射弛豫过程的存在,亚稳态氩原子激光废热效率(~25%)远大于其量子亏损(~11%),实际中需要高效热管理。3、探索性选择大气压条件下介质阻挡放电方式研究氩气/氦气混合气体的体均匀放电,首先介绍介质阻挡放电物理模型,利用COMSOL软件仿真放电特征与参量空间分布;在此基础上设计加工双介质阻挡放电结构并进行放电研究,成功实现氩气/氦气混合气体的空间均匀放电,对放电特征和参量影响进行实验研究;对放电荧光区域光谱特征进行测量,分析荧光谱线所对应的原子跃迁能级。4、采用吸收光谱法检测放电区域内的亚稳态氩原子(1s5态)浓度,分别采用可调谐半导体激光器和超连续谱光源作为诊断探测光源,并在实验后期进一步净化气体纯度,均未探测到明显吸收信号,分析认为放电方式可能不利于产生高浓度亚稳态氩原子,也可能与其他因素相关,在此基础上提出进一步改进方案。5、基于Littrow结构对线阵半导体激光器进行光谱压窄与锁定,实现了功率1.37 W线宽0.15 nm的811.75nm激光输出,外腔转换效率~57%,光谱调谐范围~6nm,可用于高效泵浦亚稳态氩原子激光。


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