【摘要】：作為一種新型的光泵氣體激光器,半導(dǎo)體泵浦亞穩(wěn)態(tài)稀有氣體激光器(Diode-pumped metastable rare gas lasers,DPRGLs)憑借其在高光束質(zhì)量、高功率激光輸出方面的潛力,已得到國內(nèi)外研究學(xué)者的密切關(guān)注。目前,國外研究人員已實現(xiàn)DPRGL的10 W級連續(xù)激光輸出。本文以Ar/He混合氣體為具體研究對象,從實驗和理論兩個方面對DPRGL進(jìn)行了研究�；隗w布拉格光柵(volume Bragg grating,VBG)構(gòu)建復(fù)合外腔半導(dǎo)體激光器(External cavity diode laser,ECDL)的方法對單管半導(dǎo)體激光(Laser Diode,LD)進(jìn)行線寬窄化。利用衍射效率為70%、帶寬為0.05 nm的VBG,ECDL窄化后的LD譜寬僅為自由運轉(zhuǎn)情況下的1.2%(~10 GHz),接近氬亞穩(wěn)態(tài)原子(Ar*)在一個大氣壓氦氣加寬后的吸收線寬(~8 GHz);外腔功率效率約65%,最大輸出功率可達(dá)6.5 W,該窄線寬半導(dǎo)體激光泵浦源可用于后續(xù)的Ar*泵浦實驗。平行平板式的射頻容性放電方式適合大體積放電。利用13.56 MHz射頻激勵方式進(jìn)行了Ar/He混合氣體的封閉放電實驗研究。實現(xiàn)了1.3個大氣壓下的混合氣體(Ar/He=1:49)長時間穩(wěn)定輝光放電(大于3小時);放電等離子體的體積達(dá)4 cm~3,吸收光譜測試得Ar*粒子數(shù)密度處在10~(10)-10~(11) cm~(-3)量級。此外,利用發(fā)射光譜診斷方法,重點分析了等離子體的轉(zhuǎn)動溫度、電子激發(fā)溫度、電子密度與氣壓、放電狀態(tài)(輝光與弧光)、極板類型(裸金屬電極和介質(zhì)覆蓋電極)的關(guān)系;進(jìn)行了長時間的放電監(jiān)測,并分析了水蒸氣和氮氣含量對Ar*損耗速率的影響。理論模擬可為后續(xù)泵浦實驗研究提供指導(dǎo)。進(jìn)行了LD泵浦Ar*激光的理論模擬,對雙程縱向泵浦結(jié)構(gòu)Ar*激光器的激光性能、光光效率相關(guān)影響因素、Ar*粒子數(shù)密度的影響因素進(jìn)行了分析和討論。當(dāng)Ar*粒子數(shù)密度達(dá)到10~(13) cm~(-3)數(shù)量級時,Ar*激光的小信號增益系數(shù)高達(dá)~1 cm~(-1),光光效率能夠達(dá)到55%。約化場強(E/N)對Ar*粒子數(shù)密度影響很大,為實現(xiàn)對1s_5能級的高效放電激勵,放電氣隙的E/N需要達(dá)到10 Td(1 Td=10~(-17) V·cm~2)以上。針對1s_4與1s_5能級在室溫下低熱弛豫系數(shù)造成的“瓶頸”問題,提出了雙波長泵浦方案,并通過理論計算驗證了該方案的有效性—沿1s_4-2p_(10)躍遷添加一束強度較弱(泵浦強度為主泵浦強度的1%量級)的輔泵浦光(波長965.7nm,靠近一種大功率半導(dǎo)體激光波段—980 nm),Ar/He激光體系在室溫下的“瓶頸問題”即可得到有效緩解。進(jìn)行了LD泵浦Ar*激光器的實驗研究。采用窄線寬半導(dǎo)體泵浦源對上述射頻放電等離子體進(jìn)行縱向泵浦,實現(xiàn)了LD泵浦Ar*激光的激光振蕩和封閉運行,出射激光具有較好的模式(接近TEM_(00)模)。非激射狀態(tài)下,4 cm~3的等離子體對泵浦光的吸收功率推算可達(dá)~1.5 W(泵浦強度~90 W/cm~2)。此外,研究還發(fā)現(xiàn):放電氣壓會影響出射激光的功率和光斑形狀;采用不同的放電電極(裸金屬電極和介質(zhì)覆蓋電極)也會對激光的功率和光斑形狀產(chǎn)生較大影響。以功率放大為目標(biāo),建立了一種橫向雙程泵浦的DPRGL模型并進(jìn)行了理論模擬。該模型可計算腔內(nèi)的各能級粒子數(shù)密度、泵浦光、產(chǎn)熱和熒光的空間分布,以及泵浦光沿傳播方向的譜分布。利用該模型,還計算了DPRGL實現(xiàn)不同輸出功率目標(biāo)對等離子體體積的要求,其中每兆瓦輸出所需放電體積至少為幾升;分析了DPRGL的熱管理問題—該型激光在兆瓦級輸出功率下的熱管理問題突出,但可通過現(xiàn)有高功率氣體激光技術(shù)解決(傳導(dǎo)冷卻和擴散冷卻相結(jié)合)。本論文對DPRGL的理論研究和實驗探索,取得了一些有意義的研究結(jié)果,有利于推動DPRGL的進(jìn)一步發(fā)展。
【圖文】：

圖 1-1 參與 Ar*激光運轉(zhuǎn)的能級示意圖[20]級是通過放電產(chǎn)生的亞穩(wěn)態(tài)能級(n+1)s[3/2]2，該亞穩(wěn)態(tài)能，泵浦上能級(n+1)p[5/2]3和激光上能級(n+1)p[1/2]1是自能級。激光上、下能級之間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)通過添加更輕的快碰撞弛豫過程而實現(xiàn)。圖 1-1 中給出的(n+1)s[3/2]1并沒由于該能級和基態(tài)存在較強的光學(xué)耦合，而且和(n+1)s[3[22]，對激光的有效運轉(zhuǎn)有著非常重要的影響。出了不同稀有氣體亞穩(wěn)態(tài)原子（Ar*、Kr*、Xe*）作為增射波長、量子效率和對應(yīng)的高功率半導(dǎo)體激光波段。表格 1-1 三種激光器（Ar*、Kr*、Xe*）的相關(guān)參數(shù)泵浦波長（nm） 激射波長（nm） 量子效率（%） L811.53 912.3 89

究進(jìn)展美國 Emory Universitymory University 的 Heaven 教授小組采用直流脈沖激勵 Rg*的的 Jiande Han[19]首次報道了 DPRGL 的實驗研究。其實，在此展了 DPRGL 相關(guān)的能級躍遷動力學(xué)[25]、碰撞弛豫過程[26]方次實驗報道的裝置如圖 1-2 所示。該實驗采用直流脈沖激勵、脈。其中，氣體放電腔由準(zhǔn)分子激光器的放電腔改裝而來。實驗性能參數(shù)的限制，該實驗采用了非半導(dǎo)體激光器光源—光學(xué)代，該泵浦源的線寬為 30 GHz，脈沖能量為 0.26 mJ。裝置中激光的單程增益。實驗對 Ar*、Kr*、Xe*增益介質(zhì)均進(jìn)行了研工作氣體（Ar：27mbar，He:973mbar）的實驗中，獲得了光光.26 mJ，，激光：0.0334 mJ）的脈沖激光輸出。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN248.2

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2678917