半导体抽运铯蒸气激光器阈值特性分析 - 物理学报.pdfVIP

物理学报 Acta Phys. Sin. Vol. 63, No. 17 (2014) 174201 半导体抽运铯蒸气激光器阈值特性分析 徐艳 陈飞 谢冀江 李殿军 杨贵龙 高飞 郭劲 1)(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 激光与物质相互作用国家重点实验室, 长春 130033) 2)(中国科学院大学, 北京 100049) ( 2014 年2 月19 日收到; 2014 年4 月1 日收到修改稿) 本文建立了一种速率方程模型, 以铯蒸气为例描述了半导体抽运碱金属蒸气激光器的阈值特性. 经数值 求解该模型, 定量分析了抽运光束腰位置和半径、蒸气池长度、运行温度等参量对激光器的阈值抽运功率的影 响. 结果表明, 存在最佳的抽运光束腰位置和半径、蒸气池长度以及运行温度使阈值最低, 此外改善抽运光束 质量也能有效降低阈值抽运功率. 所得规律与目前实验事实基本相符, 表明了该模型能较好地反映半导体抽 运碱金属蒸气激光器的阈值特性, 为该类激光器的优化设计提供一定的借鉴和参考. 关键词: 半导体抽运铯蒸气激光器, 速率方程, 阈值, 模式匹配 PACS: 42.55.Lt, 42.55.Px, 42.55.Xi DOI: 10.7498/aps.63.174201 最高输出功率的DPAL( 以铯蒸气为介质), 输出功 1 引 言 率近1 kW, 全光效率48% 7 . 2010 年国防科技大 学报道了国内首例DPAL( 以铷蒸气为介质), 输出 近年来, 半导体抽运碱金属蒸气激光器(diode- 功率为600 mW, 全光效率约为1.7% 8 . 2012 年中 pumped alkali vapor laser, DPAL) 因具有极高的 科院电子学研究所报道了2.8 W 线偏振输出的铷 量子效率(K 99.5%, Rb 98.1%, Cs 95.2%)、良好的 DPAL 中, 全光效率21% 910 ; 2014 年, 该所又报 热管理性能、优异的光束输出质量等特点, 而成为 道了国内首例铯DPAL, 输出功率约1.4 W 11 . 但 激光研究领域内的一大热点111 . 由于这些特点, 是作为一种三能级激光系统, DPAL 阈值特性的研 DPAL 具备实现高效高功率近红外激光输出的潜 究对改善其工作性能也有着重要意义. 而目前仅有 在优势(K 770.1 nm, Rb 795.0 nm, Cs 894.6 nm), 少量文献对DPAL 的阈值特性进行了部分研究, 例 有望在工业、医疗、军事等领域获得广泛应用. 如分析了精细结构能级混合速率对抽运阈值的影 自2003 年美国利弗莫尔国家实验室的研究小 响趋势, 得出精细结构能级混合速率对阈值抽运功 组采用窄线宽Ti:Sapphire 激光器抽运铷蒸气首次 率影响较小的结论 4 ; 以及分析缓冲气体压强对 验证795 nm 铷激光输出后1 , 半导体抽运碱金属 抽运阈值的影响趋势, 获得使阈值抽运功率最小的 蒸气激光器得到了快速发展. 理论上, 研究人员 5 缓冲气体压强 . 但是以上理论研究没有系统地 对DPAL 进行了建模研究, 并主要对其连续输出特 对DPAL 的阈值特性进行分析, 尤其是没有定量分 性(输出功率、效率等) 进行了分析 25 , 对提高D-