【摘要】：二極管泵浦堿金屬蒸氣激光器(Diode Pumped Alkali Vapor Lasers,DPALs)具有量子效率高、散熱好、光束質(zhì)量好、工作物質(zhì)無(wú)毒和線寬窄等優(yōu)點(diǎn),在激光加工和材料處理、定向能量傳輸、醫(yī)療等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。21世紀(jì)以來(lái),隨著半導(dǎo)體泵浦源技術(shù)的發(fā)展,DPALs也進(jìn)入了快速發(fā)展的時(shí)期。近十多年來(lái),世界各國(guó)研究小組采用不同的實(shí)驗(yàn)方案和技術(shù),實(shí)現(xiàn)了多種泵浦方式的DPALs高效穩(wěn)定的運(yùn)轉(zhuǎn)。為了進(jìn)一步提高激光輸出功率,研究人員進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)和理論研究,例如:加大泵浦源的功率、采用橫向泵浦方式、采用液體流動(dòng)冷卻法或增益介質(zhì)流動(dòng)法、對(duì)DPAAs(Diode Pumped Alkali Vapor Laser Amplifiers:二極管泵浦堿金屬蒸氣激光放大器)進(jìn)行研究等,實(shí)現(xiàn)了千瓦級(jí)以上的激光輸出。本文第1章介紹了 DPALs和DPAAs的背景、發(fā)展歷程以及國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀。第2章從堿金屬原子的性質(zhì)及能級(jí)方面闡釋DPALs的工作原理,分析討論了要實(shí)現(xiàn)DPALs高效穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的條件;此外,還介紹分析了 DPALs和DPAAs在近十多年里的相關(guān)實(shí)驗(yàn)及經(jīng)典動(dòng)力學(xué)模型。第3章在考慮飽和放大效應(yīng)、放大自發(fā)輻射(ASE)和增益介質(zhì)流動(dòng)的基礎(chǔ)上,建立一個(gè)四端側(cè)面泵浦流動(dòng)氣體的DPAA模型。先通過(guò)與相關(guān)實(shí)驗(yàn)的比較,證實(shí)了本模型的正確性;再結(jié)合相關(guān)實(shí)驗(yàn)參數(shù),模擬計(jì)算了溫度、流速以及放大池長(zhǎng)度等工作參量對(duì)激光輸出性能的影響,獲得了一組優(yōu)化的工作參量組合,為此類激光放大器在實(shí)驗(yàn)上的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)和借鑒。鑒于不利過(guò)程(猝滅、能量碰撞轉(zhuǎn)移、光激發(fā)、彭寧電離和光電離)對(duì)激光輸出性能有著負(fù)面的影響,且目前沒(méi)有關(guān)于怎樣降低DPAAs中這些負(fù)面影響的研究報(bào)道。因此,第4章我們建立了一個(gè)準(zhǔn)五能級(jí)的流動(dòng)氣體DPAA模型,模擬分析了一些重要的工作參數(shù)(泵浦光功率、種子光功率、流速、放大池長(zhǎng))對(duì)這些不利過(guò)程的影響。結(jié)果表明強(qiáng)的泵浦光能加重這些不利過(guò)程的負(fù)面影響,但是適當(dāng)大的種子光功率以及優(yōu)化的工作參數(shù)(流速和放大池長(zhǎng))則有利于降低這些不利過(guò)程的負(fù)面影響。第5章我們建立了一個(gè)柱坐標(biāo)下的四維脈沖泵浦DPAL模型。結(jié)合環(huán)形切割法、交替方向隱式差分法(ADI)、洛必達(dá)法則、牛頓法以及追趕法,運(yùn)用MATLAB求解速率方程和熱傳導(dǎo)方程。在單脈沖泵浦條件下,計(jì)算分析了泵浦光光強(qiáng)、激光光強(qiáng)以及粒子數(shù)密度的時(shí)空分布;之后又模擬討論了多脈沖泵浦條件下的激光輸出能量以及激光峰值隨脈寬和脈沖間隔的變化情況,得到了實(shí)現(xiàn)更高的激光輸出能量和激光峰值功率的方法。在考慮猝滅、飽和放大效應(yīng)和放大自發(fā)輻射的基礎(chǔ)上,第6章我們首次建立了一個(gè)脈沖泵浦DPAA模型,模擬分析了溫度、放大激光強(qiáng)度的時(shí)空分布以及不同泵浦時(shí)刻種子光功率對(duì)輸出的放大激光功率的影響。
【圖文】：

逑２．１．２堿金屬原子的能級(jí)逡逑堿金屬原子的能級(jí)結(jié)構(gòu)筒圖如圖２．邋１所示，ｎ２Ｓ１／２是基態(tài)能級(jí)，ｎ２Ｐ１／２和ｎ２Ｐ３／２是逡逑激發(fā)態(tài)能級(jí)，分別對(duì)應(yīng)著激光上能級(jí)和泵浦上能級(jí)（兩個(gè)激發(fā)態(tài)能級(jí)是由于自旋逡逑和軌道的相互作用產(chǎn)生的）。其中ｎ代表堿金屬原子的主量子數(shù)，鋰、鈉、鉀、逡逑銣、銫的ｎ依次為２、３、４、５、６［３］。粒子從基態(tài)ｎ２Ｓ１／２到激發(fā)態(tài)ｎ２Ｐ３／２邋（泵浦上能逡逑級(jí)）的躍遷稱為泵浦躍遷，對(duì)應(yīng)圖中的Ｄ２線；從激發(fā)態(tài)ｎ２Ｐ１／２邋（激光上能級(jí)）到基逡逑態(tài)ｎ：Ｓ１２的躍遷稱為激光躍遷，對(duì)應(yīng)圖中的Ｄ１線。在外界泵浦光的作用下，基態(tài)逡逑ｎ２Ｓ１２上的粒子受激吸收躍遷到泵浦上能級(jí)ｎ２Ｐ３／２邋；接著在緩沖氣體的作用下，泵浦逡逑１１逡逑

邐ｉ邐ｎ％２逡逑圖２．１堿金屬原子的三能級(jí)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖逡逑表２．邋２堿金屬原子的Ｄ１和Ｄ２線、量子效率以及能級(jí)差逡逑減金屬元素Ｄ２線（ｎｍ）邋Ｄ１線（ｎｍ）邋ＡＥ（／ｃｍ）量子效率（％）逡逑￣Ｔｉ邐６７０．９６邐６７０．９８邐０？３４邐？１００°／0逡逑Ｎａ邐５８９．邋１６邐５８９．邋７６邐１７．２邐９９．９％逡逑Ｋ邐￣＂７６６．邋７０邐７７０．邋１１邐５７７７邐９９．邋６％逡逑７８０．２５邐７９４．９８邐２３７．５邐９８．邋１％逡逑￣Ｃｓ邐８５２．３５邐８９４．邋５９邐５４４．邋１邐９５．３％逡逑不穩(wěn)定，不易產(chǎn)生激光逡逑如表２．邋２所示［４］，由于堿金屬原子兩個(gè)激發(fā)態(tài)能級(jí)（激光上能級(jí)和泵浦上能逡逑級(jí)）間隔ＡＥ很小，所以ＤＰＡＬｓ具有很高的量子效率（鉀、銣、銫的量子效率分別逡逑為９９．邋６％，邋９８．邋１％，邋９５．邋３％），且由量子虧損帶來(lái)的廢熱也少，有望獲得較高的光逡逑光轉(zhuǎn)換效率。但并非所有的減金屬都適合用作ＤＰＡＬｓ的工作物質(zhì)，，堿金屬中鈉和逡逑鋰的激光上能級(jí)和泵浦上能級(jí)之間的間隔太�。ǚ謩e為１７．邋２／ｃｍ和０．邋３４／ｃｍ），而逡逑且它們具有較高的激光閾值，所以很難實(shí)現(xiàn)激光上能級(jí)和泵浦下能級(jí)間的粒子數(shù)逡逑反轉(zhuǎn)。而Ｆｒ元素也不穩(wěn)定
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TN248;TN722

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本文編號(hào)：2609577