半导体泵浦射频连续放电氩原子气体激光器的研究

Diode pumped rare gas atoms lasers use discharge gas as working medium, can achieve laser output through diode pumping, can effectively prevent the nonlinear effect of high power solid-state laser, and has the advantages of high laser power, good beam quality, high quantum efficiency, good atmospheric transmission characteristics, which will be the important potential source in areas such as high energy laser weapon, large-scale industrial applications of ultrashort pulse laser in the future. In order to realize the continuous discharge of high pressure gas, diffusion cooling slab RF discharge excitation mode will be used in this project, mechanism model of RF discharge to produce rare gas metastable atoms will be established, the technique of obtaining high concentration distribution of metastable atoms with high efficiency and more precise control of discharge will be achieved by adjusting the proportion of different auxiliary gas, discharge parameters, discharge structure etc. Absorption spectrum and emission spectrum of discharge rare gas will be measured, energy transition mechanism of diode pumped discharge rare gas laser will be established. The dynamic equilibrium process of metastable argon atoms with produce, transition and consumption will be explored, and the kinetic model of diode pumped CW discharge rare gas laser with two matching pump sources of diode pumping and CW discharge will be established. A continuous laser with laser power of more than 10 watt will be developed at last. The work will lay a physical basis for higher power continuous/ pulse lasers in the future.

半导体泵浦稀有气体激光器以放电气体作为工作介质通过半导体激光泵浦实现激光输出，可有效防止高功率固态激光的非线性效应，具有激光功率高、光束质量好、量子效率高、良好大气传输特性等优点，是未来高能激光武器、超短脉冲激光大规模工业应用等领域的重要的潜在光源。本项目拟用扩散冷却平板射频放电激励方式，实现较高气压下的连续放电，建立RF放电产生亚稳态稀有气体原子的机理模型，通过调节不同辅助气体、放电结构、放电参数等方式，高效率地获得亚稳态原子的高浓度分布并能进行较为精准的控制；测定放电稀有气体吸收、辐射谱线，研究半导体泵浦放电稀有气体的能级跃迁机理；探索亚稳态氩原子的产生、跃迁和消耗的动态平衡过程，建立两级泵浦匹配的半导体泵浦连续放电稀有气体激光器的动力学模型；构建具有创新结构的高效率的半导体泵浦连续放电稀有气体激光器，获得10瓦以上的连续激光输出，为今后更高功率的连续/脉冲激光器的研发奠定物理基础。

半导体泵浦稀有气体激光器通过半导体激光泵浦放电惰性混合气体，实现近红外激光输出。该激光器将半导体激光泵浦与气体激光器的优势相结合，被视为碱金属蒸气激光器的潜在替代方案，可以有效防止碱金属激光器镜片污染问题，具有量子效率高、适合大气传输、光束质量好等优点，在大规模工业生产应用、太空能量传输和未来高能激光武器等领域具有重要应用价值。. 本项目提出了电光“两级泵浦”模型，提出了更为完善的五能级结构半导体泵浦稀有气体激光器动力学模型，建立连续稳定运行时的泵浦方程与激光输出方程。针对连续混合气体放电、工作介质密度与放电参量的关系展开了研究，结果表明，增大约化电场强度和氩气摩尔分数可以有效增大工作介质密度，实现了对于高效获得高密度工作介质的有效预测。分析了各项系统参量对于总效率影响，这些参量包含泵浦光强、气体组分、约化电场强度、工作介质长度、混合气体气压、输出耦合镜对于激光波长的反射率，通过对各能级粒子产生与损耗的动态平衡过程展开了讨论，表明两级泵浦过程与非激光损耗之间存在相互平衡与竞争，最终导致了上述参量均存在最佳值。针对稀有气体吸收谱线、辐射谱线、能级跃迁以及能级展宽机制展开研究，并以此为基础设计了基于端面泵浦和侧面泵浦的多程泵浦结构，有效提高泵浦效率。针对目前国际上采用单腔端泵DPRGLs难以获得高功率输出的问题，开展了基于MOPA结构放大方案的研究，通过向放大器内注入种子激光，实现高功率和高放大倍率的激光输出。通过对各项参数展开优化设计，得到了功率为100 kW的连续DPRGLs激光输出，其总效率为51.5%，光光转换效率为62.5%，该研究方案对于实现满足工业需求和国防需求的高功率、高总效率的DPRGLs系统具有重要意义。