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半导体泵浦碱金属激光(DPAL)兼具固体激光电能驱动、轻质紧凑的特点和气体激光高效流动散热的优势,是目前最具潜力的MW级高能激光光源候选方案。DPAL虽然工作于典型三能级结构,但具有丰富的高能级结构和低的电离能,工作过程中同时发生原子高能级跃迁甚至电离形成等离子体,对激光性能造成负面影响。这一问题在高功率定标放大时可能变得更为显著。本文针对这一问题开展理论和实验研究:1、建立多能级流动介质碱金属激光理论模型。在三能级基础上进一步考虑包括辐射和碰撞过程在内的高能级粒子数弛豫通道,耦合温度和流场,建立多能级流动介质模型;理论仿真分析典型无烃类铷DPAL性能,分析不同高能级过程对激光器效率和电离度的影响,结果表明碰撞能量转移和光电离对系统电离度贡献最大,但高能级过程总体上对激光效率影响有限(<2%),反而泵浦和激光上能级的电子态猝灭过程导致激光效率的大幅度下降(~8%)。2、分析等离子体对泵浦和激光能量透过率的影响。通过对比光致等离子体振荡频率与电磁场频率并仿真,表明等离子体对泵浦和激光不会产生吸收作用;3、开展无烃类铷DPAL出光实验,在半导体泵浦光峰值功率密度2.6kW/cm~2条件下泵浦2cm长度铷和氦气(6atm)混合增益介质,加热温度165℃,实现基模输出并研究了泵浦和激光的波形、泵浦强度、介质温度以及激光器效率等影响因素;4、基于光电流法开展DPAL出光条件下电离度测试。首先在QCW泵浦(占空比1:66)条件下展开测量,在泵浦功率密度为2.6kW/cm~2,温度为165℃时系统最大电离度0.0089%,并测量分析泵浦强度和温度的影响;进一步开展CW泵浦实验,观察到激光输出功率逐步下降并持续了~50s后终止,这是无主动热管理情况下增益介质泵浦区域热累积导致,同时记录CW光电流信号,得到最大电离度为0.57%,电离度的增强是温升导致碰撞高能级激发和电离等过程的增强所引起的;5、增益发生器窗口对于激光器效率影响很大,增益发生器单程透过率仅为70%,考虑到碱金属原子的腐蚀和吸附沾染特性,结合国际上提出的微纳结构高增透抗吸附新型激光窗口方案,对可应用于DPAL窗口的微纳结构进行设计,仿真实现在铷激光泵浦和激光波长处的高增透结构,并计算了其作为激光窗口对谐振模式的影响。