高功率循环流动型半导体泵浦碱金属蒸汽激光器研究进展（特邀）

半导体泵浦碱金属蒸汽激光器（DPAL）兼具半导体激光器和气体激光器的技术特点，具有量子效率高、受激发射截面大、折射率扰动较小和热管理便捷等优势，可实现高效率、高功率和高光束质量近红外激光输出，在工业制造、军事、医疗和科研等领域具有重要的应用价值。对于封闭静止型DPAL，在高功率泵浦情况下，蒸汽池内工作气体温度升高，热效应严重，造成DPAL性能下降。而循环流动型DPAL利用气体流动带走废热，可显著缓解工作气体的热效应，从而实现高功率激光输出。目前，循环流动型DPAL已成为实现高功率激光输出的主要技术路线，引发了越来越多的关注和研究。文中将介绍循环流动型DPAL的基本原理，概述其国内外发展现状，分析其高功率运转情况下的主要问题和解决途径，并对循环流动型DPAL的发展趋势进行展望。     

高功率半导体激光抽运碱金属蒸汽激光器

随着半导体抽运固体激光器向更高的输出功率发展，固体激光工作物质的热效应问题成了该类器件发展的瓶颈，人们开始尝试用高功率半导体激光抽运气体工作物质来代替固体工作物质以实现良好的热管理。半导体抽运碱金属蒸汽激光器（DPAL）结合半导体激光高功率、高效率抽运和气体激光介质良好的热管理和光学特性，以及碱金属原子D线激光跃迁的高量子效率（99%）等优越性，有可能实现好的光束质量（近衍射极限）、高效率（斜率效率大于80%）、高平均功率的近红外激光，在定向能量传输、国防军事、激光钻油气井和激光工业加工等领域具有极好的应用前景。综述了DPAL激光器的工作原理、关键技术、最新研究进展和它的应用前景。     

缓冲气体对循环流动铯蒸汽激光器气体温度分布和输出特性的影响

为研究缓冲气体对循环流动半导体泵浦碱金属蒸汽激光器（DPAL）气体温度三维分布和输出性能的影响,将光束传播方程引入循环流动DPAL理论模型,仿真分析了高功率泵浦情况下缓冲气体配比和压强对端面泵浦横向流动铯蒸汽激光器（Cs-DPAL）输出性能的影响,获得了蒸汽池内工作气体温度的三维分布和对应的输出功率。结果表明,使用纯烷烃作为缓冲气体时,相比于CH₄,相同压强的C₂H₆对应的蒸汽池内温度更低,激光输出功率更高;使用烷烃气体和惰性气体的混合物作为缓冲气体时,若烷烃的压强较低,加入适量的He或Ar可降低蒸汽池内温度并提升激光输出功率。     

高功率半导体激光泵浦碱金属蒸汽激光器的理论模拟

半导体泵浦碱金属蒸汽激光器(DPALs)作为一种新型激光器,综合了半导体激光泵浦技术和碱金属蒸汽工作物质的优点,有望实现高功率、高效率、高光束质量的连续激光输出.通过基于速率方程理论构建的理论模型,对超高功率半导体激光器的运行状况进行了计算机模拟.理论模拟表明,从半导体泵浦碱金属蒸汽激光器获得连续输出百千瓦级激光输出是可行的,并且可以保证很高的斜率效率和很好的光束质量.该种超高功率激光器可以满足航空航天等领域中对超大功率近红外激光光源的需求.     

100GHz光谱扫描测量碱金属蒸气激光器增益介质浓度

半导体抽运碱金属蒸气激光器(DPAL)具有量子效率高、气体介质循环流动散热、全电操作、结构紧凑等特点,是极具发展潜力的新型高能激光光源。其中,增益介质内碱金属原子浓度测量是对DPAL进行诊断测试的重要研究内容。通过利用单频分布布拉格反射(DBR)激光器波长扫描测量铷蒸气的吸收光谱,采用对激光器进行温度调节与电流扫描相结合的方法进行扫描光谱范围拼接,利用无跳模调谐范围为23GHz的激光器实现了100GHz的无跳模光谱扫描范围,在此基础上测量了充入大气压量级缓冲气体铷蒸气的完整吸收光谱。通过与理论计算结果进行参数拟合得到了铷原子浓度。该方法可应用于高功率抽运条件下流动介质DPAL中碱金属原子浓度的测量。     

半导体激光抽运碱金属激光器研究进展

半导体激光抽运碱金属激光器(DPAL)具有很高的斯托克斯效率、高光束质量、近红外光谱等优异的特性, 得到了广泛的关注和较快的发展。作为典型的三能级激光器, 碱金属激光器连续输出的近红外波长分别为895nm(铯), 795nm(铷), 770nm(钾)。介绍了半导体激光抽运碱金属激光器的物理机理和重要研究进展, 以及作者团队在碱金属激光器方向做的理论和实验研究情况, 讨论了该领域存在的问题和难点, 并对碱金属激光器的未来发展进行了分析和展望。     

高功率半导体激光器技术发展与研究

高功率半导体激光器及阵列具有可用激光波长丰富、电光转换效率高、调制特性好等许多优点,特别是作为固体激光器和光纤激光器的高效率泵浦源而获得的全固态紧凑型激光器,持续受到极大的关注,得到快速发展.近年来在高功率阵列半导体激光器模块化技术、超高效率、高效冷却技术、半导体激光器及阵列的光束质量优化、高效电源驱动技术等方面都取得了长足的进步,促进了其广泛应用.将结合高功率半导体激光国家重点实验室的研究工作,概述近年来国内外半导体激光器技术的研究进展状况和发展趋势.     

半导体抽运铷蒸气输出2.8W线偏振铷激光

半导体抽运碱金属蒸气激光器(DPAL)是一种具有广阔应用前景的激光器,近年来发展迅速。使用碱金属铷所需要的中心波长为780nm的半导体激光器线阵作抽运源,采用平面衍射光栅搭建Littrow外腔将线宽压窄至0.13nm,并使用斩波器将半导体激光变为脉冲输出形式。采用透镜组合对窄线宽半导体激光进行光束扭转整形,整形后光斑近似为方形。半导体激光经线宽压窄和光束整形后,被聚焦进铷蒸气泡,泡内充入79kPa甲烷作为缓冲气体。控制铷蒸气泡温度为145℃,注入谐振腔的抽运光峰值功率为最高13W时,获得了峰值功率2.8W的线偏振铷激光输出,光-光转换效率达21%。     

名企名品索引

欧司朗光电半导体公司（OSRAM Opto Semiconductors ）正不断扩大其高功率激光器产品线。继分别推出高功率半导体激光器和未封装激光芯片后，     

窄线宽单宽面源大功率半导体激光器

半导体抽运碱金属蒸气激光器(DPAL)在高能激光领域获得了快速发展,但碱金属原子吸收谱宽很窄,即使充入1.01×105 Pa的缓冲气体如氦气或乙烷,其碰撞加宽也只有0.02-0.04 nm,而市售大功率半导体激光器输出谱宽为2-4 nm,难以实现有效抽运.采用Littman外腔结构压窄20 W单宽面源大功率半导体激光器...     

半导体抽运碱金属蒸气激光器研究进展

相比于固体和化学激光器,半导体抽运碱金属蒸气激光器以其极高的量子效率、气体介质易于流动散热、高光束质量、不存在单口径功率限制、安全可靠等优点显示出极大的优势和良好的发展潜力。概述了碱金属激光器的基本原理和最新研究进展,分析了高功率定标放大可能遇到的障碍和解决途径,并预测了未来的发展趋势。     

缓冲气体对碱金属蒸汽激光器工作特性的影响

基于端面泵浦碱金属蒸汽激光器的速率方程模型,研究了碱金属蒸汽激光器在不同缓冲气体环境中的工作特性。通过优化输出镜反射率、气体压强等参量,获得了激光器在不同缓冲气体中的输出功率随温度的变化曲线。结果表明:有烃DPAL中,最佳输出功率和运行温度随能级混合速率的增大而分别增大和减小,而且激光器在不同烃类气体下的最佳工作状态可用准二能级工作曲线描述;无烃DPAL中,氦气同位素3He可以大幅减小激光器的氦气压强,而且能够提高Rb-DPAL的输出功率,但是K-DPAL在3He中的输出功率略低。模拟结果与已报道的实验现象有较好的符合,可为实验研究提供理论指导。     

纳秒脉冲激光抽运下的铯蒸气电离度研究

为了研究碱金属蒸气电离对半导体抽运碱金属激光器(DPAL)定标放大的影响, 采用适宜于短脉冲激光抽运源的光电流法来测量碱金属蒸气电离度, 并开展了铯蒸气电离度同激光抽运功率密度、碱金属池温度、抽运激光器重复频率之间关系的实验研究。结果表明, 在不考虑热效应的情况下, 即使抽运激光的功率密度高达3×108W/cm2、碱金属池温度150℃、氦气缓冲气压力9.33×104Pa条件下, 铯蒸气的电离度也仅仅达到1%左右; 在碱金属池温度从122℃升高至163℃的过程中, 相对于铯蒸气粒子数密度的显著增大, 铯蒸气电离度的变化非常小。该研究结果对于铯DPAL通过增加抽运激光功率密度和提高碱金属池温度进行定标放大具有非常积极的意义。     

缓冲气体及温度对DPAL输出性能的影响

为进一步提高半导体激光泵浦碱金属蒸汽激光器输出功率,基于三能级速率方程的理论模型,对DPAL的运行进行了模拟,考虑泵浦光带宽,在纵向泵浦的情况下,对缓冲气体气压、增益池长度、温度等参量对激光器输出光强及光光效率的影响进行了计算机模拟,结果表明,一定泵浦光下光光效率随着乙烷气压和温度增加而增大,对一定氦气气压有最大值,模拟结果为实验研究提供了有益的参考。     

端面抽运DPAL三维模型及激光输出特性的模拟研究

根据激光三能级速率方程理论,考虑抽运光聚焦的空间分布,建立三维DPAL速率方程组的理论模型,结合激光系统运行的边界条件,通过数值方法,对模型进行求解,对端面抽运铷蒸气激光器的输出特性进行了详细分析,包括抽运光聚焦光斑半径、聚焦位置、蒸气池长度等参量对模式匹配效率、阈值抽运功率和斜率效率的影响。在模式匹配最佳时,计算了对介质长度对激光输出和阈值的影响。根据抽运光功率,以获得最大激光输出功率为目标,给出了激光器系统的优化参数,包括介质长度、抽运光聚焦在介质中的聚焦位置、输出耦合反射率。     

具有三级放大结构的铷蒸气激光系统的优化设计

由于半导体激光泵浦碱金属蒸气激光器（DPAL）的饱和增益较大,因此采用主振荡功率放大器（MOPA）结构对其进行定标放大是实现其高功率化的理想选择。基于端面泵浦DPAL-MOPA系统的微观动力学理论模型设计了铷蒸气DPAL的三级放大系统。另外,分别对长度为3、5、7 cm的三种密闭蒸气池在不同温度条件下的增益特性做了详细的计算与分析,最终确定预放大级的密闭蒸气池长度为3 cm,一级主放大级的为5 cm,二级主放大级的为7 cm。基于这种三级MOPA结构可把功率为50 mW的铷蒸气DPAL种子光放大至1 000 W量级。同时,也评估了采用此设计方案时,整个MOPA系统所产生的自发辐射功率和热功率。该研究对将来实现高功率DPAL提供了设计思路和理论依据。