基于LD泵浦碱金属蒸汽激光的倍频高重频蓝紫激光光源的研究

High repetitive rate blue-violet laser has extensive applications in science research, high-technical product development and national defense engineering, such as laser spectroscopy, atomic physics, laser medical treatment, environmental monitoring, laser display and laser underwater communication and detection. It is mainly aimed at the research on frequency doubling laser characteristics of a diode-pumped acousto-optically (AO) Q-switched alkali vapor laser. By solving the mechanical problems and key technologies, a novel approach for realizing high repetitive rate blue-violet laser will be explored. Based on a theoretical modeling on LD pumped Q-switched alkali vapor laser, Cs vapor will be chosen as the main gain medium, and the research will be mainly focused on the key technologies, such as absorption line width broadening of alkali vapor, polarized LD pumping, unstable resonator with large mode volume, high repetitive rate AO Q-switch and high efficiency frequency doubling. According to experimental tests on the practicability of these technologies, a high repetitive rate, high power 447.5 nm Cs vapor laser system will be designed, and its laser characteristics will be measured and optimized. The final target is aimed at supplying a novel theoretical foundation and technical approach for the development of high repetitive rate blue-violet laser, and accelerating its application in various fields.

高重频蓝紫激光在光谱学、原子物理、医疗、环境监测、激光显示及水下通信与探测等基础研究、高科技产品开发和国防工程中有着非常重要的应用。本项目旨在开展对倍频LD泵浦声光调Q碱金属蒸汽激光特性的研究，解决其中涉及到的机理问题和关键技术，探索一种具有原创性和自主知识产权的实现高重频蓝紫激光输出的新途径。本项目以852 nm LD泵浦铯（Cs）蒸汽激光器为主要研究对象，在建立LD泵浦调Q碱金属蒸汽激光器理论模型的基础上，着重研究碱金属蒸汽吸收线宽展宽问题，拟采用LD偏振光泵浦技术提高碱金属蒸汽激光器的效率，结合大模体积非稳腔、高重频声光调Q及高效率倍频技术的应用，搭建一套高重频的447.5 nm Cs蒸汽激光实验平台，实验验证相关技术的可行性，为高重频蓝紫激光光源的发展提供新的理论基础和技术手段，促进其在各领域内的更广泛应用。

高重频蓝紫激光在光谱学、原子物理、医疗、环境监测、激光显示及水下通信与探测等基础研究、高科技产品开发和国防工程中有着非常重要的应用。本项目旨在开展对LD泵浦碱金属蒸汽激光器（DPAL）倍频特性的研究，解决其中涉及到的机理问题和关键技术，探索一种具有原创性和自主知识产权的实现蓝紫激光输出的新途径。首先，本项目通过引入有效泵浦光强的概念，先后建立了连续泵浦和脉冲泵浦DPAL的理论模型，分析了各参量（缓冲气体的种类、配比及气压，蒸气池的增益长度、工作温度、泵浦光线宽、谐振腔参数等）对DPAL 工作特性的影响，深入研究了DPAL 的工作机理和性能。其次，以LD泵浦铯蒸汽激光器（Cs-DPAL）为主要研究对象并搭建实验平台，在连续泵浦模式下，通过优化输出镜反射率、准直透镜焦距和工作温度等参量，最终获得了波长894.57nm、线宽0.032nm的基横模Cs激光，最大连续输出功率为1.74 W，最大斜效率为29.15%，最大光光效率为24%，在脉冲泵浦模式下，对铯DPAL输出功率和斜效率进行了研究，分析了热效应，并测量了激光波形和脉宽，获得了最大脉冲峰值功率3 W，最大斜效率24.2%，最大光光效率20.53%的Cs激光输出。在此基础上，本项目开展了基于Cs-DPAL外腔倍频和内腔倍频的理论和实验研究。在理论研究方面，主要计算了Cs激光光束的瑞利长度与晶体长度之比ξ对倍频效率的影响，同时对Cs激光在LBO晶体内产生的温度梯度对倍频效率和倍频光光束质量的影响进行了分析。开展了倍频Cs-DPAL的蓝紫激光技术实验研究，分别进行了外腔倍频与内腔倍频实验，选用LBO作为倍频晶体，采用I类相位匹配方式。在外腔倍频实验中，在连续和脉冲泵浦模式下，分别实现了最高功率6.1μW和11.2μW的447.3nm蓝紫激光输出，在内腔倍频实验中，在连续和脉冲工作方式下，泵浦光功率为16W时，可分别输出0.22mW和0.36mW的蓝紫激光输出。上述研究成果验证了基于倍频DPAL实现蓝紫激光输出的可行性，为DPAL的发展及其倍频蓝紫激光器的更广泛应用提供了理论基础和技术手段，促进其在各领域内的更广泛应用。