半导体泵浦亚稳态惰性气体激光器研究

Based on the development of diode pumped alkali vapor laser (DPAL), a new kind of optically pumped gas laser is proposed: the diode pumped metastable rare gas laser (DPMRL). Due to the similarity in energy structure and physical characteristics between metastable rare gas atom and alkali atom, DPMRL possesses the many advantages of DPAL in power scaling, and furthermore avoids the problem of chemical reaction in DPAL's gain medium. So DPMRL becomes a very potential candidate in high power laser field. This mission takes the DPMRL as research object, with research contents including: set up rate equation model to describe the main kinetic processes; measure the linewidth broadening coefficients of buffer gases to pump and laser transitions of metastable rare gas atoms, and correspondingly set up the linewidth narrowed diode laser pump source; study the buffer gas induced collisional relaxation process between the upper pump and laser levels, analyze if other relaxation processes exist which could obviously affect the "three energy level" laser performance; measure the small signal gain, conduct the lasing experiment with a resonator, and analyze the main influencing factors. This research will deepen the understanding of DPMRL's energy relaxation processes and efficiency influencing mechanism, and will establish a theoretical and experimental foundation for future estimation of DPMRL's high power scaled ability.

半导体泵浦亚稳态惰性气体激光器（DPMRL）是在半导体泵浦碱金属蒸气激光器（DPAL）的研究基础上新兴的光泵浦气体激光器，由于亚稳态惰性气体原子与碱金属原子具有结构和性质上的相似性，DPMRL继承了DPAL的优势，同时克服其介质内易于发生化学反应的不足，是极具发展潜力的新型高能激光光源备选方案。本课题以DPMRL为研究对象，建立反映激光器主要能级弛豫过程的速率方程模型；测量缓冲气体对原子跃迁谱线的碰撞加宽系数，搭建与泵浦跃迁谱宽相匹配的窄线宽半导体泵浦源；研究缓冲气体对泵浦与激光上能级之间粒子数碰撞弛豫过程的影响，分析是否存在显著影响激光器三能级运转机制的其他能级弛豫过程；测量DPMRL小信号增益，搭建谐振腔进行出光实验，分析主要的参量影响与机制。本课题的研究将深化对DPMRL能级弛豫过程以及效率影响因素的理解，为进一步验证DPMRL的高功率高效连续运转能力奠定理论和实验基础。

半导体泵浦亚稳态惰性气体激光（Diode Pumped Metastable Rare Gas Laser, DPRGL）是在半导体泵浦碱金属激光（（Diode Pumped Alkali Laser, DPAL）基础上发展的新型光泵浦气体激光，在兼具DPAL全电操作、高效紧凑等优点的同时克服其诸多不足，是极具潜力的新型高能激光光源，在军事定向能技术、基础物理、以及医学和航天等领域具有良好应用前景。本项目首先基于高精度HITRAN数据库对不同类型DPRGL激光波长大气传输特性进行计算，综合选择兼具高量子效率和良好大气传输特性的亚稳态氩原子激光作为研究对象，考虑激光过程所涉及的多能级和粒子数弛豫过程建立目前国际上最为完备的速率方程模型，深入分析运转动力学机制、关键参量影响和能量分配渠道，明确激光器工作的原子浓度、缓冲气压、泵浦强度以及热沉积比例，在合理参量设置情况下得到≥60%理论光光转换效率；国际上首次选择介质阻挡放电方式用于实现大气压条件下大体积均匀Ar+He混合气体放电用于产生亚稳态氩原子（1s5），在基于COMSOL理论仿真基础上，分别设计并加工基于玻璃结构的验证试件以及基于金属结构的双介质阻挡放电工程腔体，采用高压正弦中频放电模式（0-20kV，5-10kHz）进行激励成功实现介质阻挡放电；对放电荧光特性进行分析明确谱线跃迁能级和布局数分布；分别采用基于单频可调谐半导体吸收光谱法和基于超连续谱光源吸收光谱法进行亚稳态氩原子吸收测试，经过多轮工艺改进（包括真空密封、气体纯度、电极材料等）最终成功测到亚稳态原子吸收信号，浓度范围在10e10-10e11cm-3，在此基础上进一步明确产生亚稳态原子的工程与工艺条件；采用Littrow外腔结构对商用线阵半导体激光器进行线宽压窄实验，实现中心波长811.75 nm、线宽~0.15 nm的1.5 W泵浦激光输出，光谱调谐范围~6 nm，外腔效率~57%，可应用于亚稳态氩原子泵浦。本项目研究建成系统化DPRGL放电与泵浦实验研究平台，明确激光器主要粒子数弛豫过程以及影响光光转换效率的主要物理因素和机制，为进一步评估光泵浦亚稳态惰性气体激光的高功率高效运转奠定了良好的理论和实验基础。