【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(guó)內(nèi)外研究學(xué)者的密切關(guān)注。目前,國(guó)外研究人員已實(shí)現(xiàn)DPRGL的10 W級(jí)連續(xù)激光輸出。本文以Ar/He混合氣體為具體研究對(duì)象,從實(shí)驗(yàn)和理論兩個(gè)方面對(duì)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(duì)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(yùn)轉(zhuǎn)情況下的1.2%(~10 GHz),接近氬亞穩(wěn)態(tài)原子(Ar*)在一個(gè)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(shí)驗(yàn)。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(lì)方式進(jìn)行了Ar/He混合氣體的封閉放電實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)現(xiàn)了1.3個(gè)大氣壓下的混合氣體(Ar/He=1:49)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定輝光放電(大于3小時(shí));放電等離子體的體積達(dá)4 cm~3,吸收光譜測(cè)試得Ar*粒子數(shù)密度處在10~(10)-10~(11) cm~(-3)量級(jí)。此外,利用發(fā)射光譜診斷方法,重點(diǎn)分析了等離子體的轉(zhuǎn)動(dòng)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(zhǎng)時(shí)間的放電監(jiān)測(cè),并分析了水蒸氣和氮?dú)夂繉?duì)Ar*損耗速率的影響。理論模擬可為后續(xù)泵浦實(shí)驗(yàn)研究提供指導(dǎo)。進(jìn)行了LD泵浦Ar*激光的理論模擬,對(duì)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(jí)時(shí),Ar*激光的小信號(hào)增益系數(shù)高達(dá)~1 cm~(-1),光光效率能夠達(dá)到55%。約化場(chǎng)強(qiáng)(E/N)對(duì)Ar*粒子數(shù)密度影響很大,為實(shí)現(xiàn)對(duì)1s_5能級(jí)的高效放電激勵(lì),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(duì)1s_4與1s_5能級(jí)在室溫下低熱弛豫系數(shù)造成的“瓶頸”問(wèn)題,提出了雙波長(zhǎng)泵浦方案,并通過(guò)理論計(jì)算驗(yàn)證了該方案的有效性—沿1s_4-2p_(10)躍遷添加一束強(qiáng)度較弱(泵浦強(qiáng)度為主泵浦強(qiáng)度的1%量級(jí))的輔泵浦光(波長(zhǎng)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(wèn)題”即可得到有效緩解。進(jìn)行了LD泵浦Ar*激光器的實(shí)驗(yàn)研究。采用窄線寬半導(dǎo)體泵浦源對(duì)上述射頻放電等離子體進(jìn)行縱向泵浦,實(shí)現(xiàn)了LD泵浦Ar*激光的激光振蕩和封閉運(yùn)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(duì)泵浦光的吸收功率推算可達(dá)~1.5 W(泵浦強(qiáng)度~90 W/cm~2)。此外,研究還發(fā)現(xiàn):放電氣壓會(huì)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(huì)對(duì)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(jì)算腔內(nèi)的各能級(jí)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(jì)算了DPRGL實(shí)現(xiàn)不同輸出功率目標(biāo)對(duì)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(wèn)題—該型激光在兆瓦級(jí)輸出功率下的熱管理問(wèn)題突出,但可通過(guò)現(xiàn)有高功率氣體激光技術(shù)解決(傳導(dǎo)冷卻和擴(kuò)散冷卻相結(jié)合)。本論文對(duì)DPRGL的理論研究和實(shí)驗(yàn)探索,取得了一些有意義的研究結(jié)果,有利于推動(dòng)DPRGL的進(jìn)一步發(fā)展。
【圖文】：

圖 1-1 參與 Ar*激光運(yùn)轉(zhuǎn)的能級(jí)示意圖[20]級(jí)是通過(guò)放電產(chǎn)生的亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)(n+1)s[3/2]2，該亞穩(wěn)態(tài)能，泵浦上能級(jí)(n+1)p[5/2]3和激光上能級(jí)(n+1)p[1/2]1是自能級(jí)。激光上、下能級(jí)之間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)通過(guò)添加更輕的快碰撞弛豫過(guò)程而實(shí)現(xiàn)。圖 1-1 中給出的(n+1)s[3/2]1并沒由于該能級(jí)和基態(tài)存在較強(qiáng)的光學(xué)耦合，而且和(n+1)s[3[22]，對(duì)激光的有效運(yùn)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(zhǎng)、量子效率和對(duì)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(zhǎng)（nm） 激射波長(zhǎng)（nm） 量子效率（%） L811.53 912.3 89

究進(jìn)展美國(guó) Emory Universitymory University 的 Heaven 教授小組采用直流脈沖激勵(lì) Rg*的的 Jiande Han[19]首次報(bào)道了 DPRGL 的實(shí)驗(yàn)研究。其實(shí)，在此展了 DPRGL 相關(guān)的能級(jí)躍遷動(dòng)力學(xué)[25]、碰撞弛豫過(guò)程[26]方次實(shí)驗(yàn)報(bào)道的裝置如圖 1-2 所示。該實(shí)驗(yàn)采用直流脈沖激勵(lì)、脈。其中，氣體放電腔由準(zhǔn)分子激光器的放電腔改裝而來(lái)。實(shí)驗(yàn)性能參數(shù)的限制，該實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)對(duì) Ar*、Kr*、Xe*增益介質(zhì)均進(jìn)行了研工作氣體（Ar：27mbar，He:973mbar）的實(shí)驗(yàn)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(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TN248.2

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2678917