论文部分内容阅读
DPAL作为可以采用高功率半导体泵浦的气体激光类型,兼具传统固体和气体激光器的诸多优势,具有潜在的单口径高功率输出能力。虽然DPAL工作于三能级状态,但碱金属原子具有丰富的高能级结构和低的电离能,各种电离通道同时存在于激光器的工作过程中,随着泵浦功率的不断提升,这些电离通道是否可能发展成为物理上的瓶颈性限制因素具有重要研究意义。基于此,本文从理论和实验两方面开展相关研究:1、阐述了DPAL中的主要电离通道的物理机制,包括碰撞能量转移过程、光激发效应、潘宁电离过程、光致电离过程、联合电离过程以及霍恩贝克-莫尔纳电离过程等,阐述了包括辐射复合和三体复合在内的碱金属离子的复合过程以及离子和中性原子的扩散效应;在此基础上基于纵向泵浦结构建立了综合考虑电离通道、复合过程和扩散效应的多能级瞬态速率方程组模型并基于Matlab程序求解;2、理论分析了电离过程发生的时间尺度,在DPAL典型工作条件下(缓冲气压~1atm,泵浦强度~210kW/cm,温度T~130℃),电离过程经历~10-3ms左右达到稳态;对比分析发现,在不考虑扩散效应时,电离度发展至稳态需要~10-2ms时间量级,且稳态电离度远高于考虑扩散效应的情形(电离度从~0.05%增加至~10%),预示着流动介质有望较好解决DPAL电离过程所导致的负面影响,分析了不同电离通道对电离度的影响;3、基于光电流法对铷DPAL增益介质电离度开展定量实验测量,研究了泵浦强度、缓冲气压和增益介质温度(即铷原子浓度)对光电流和电离度的影响并进行了分析,在氦气气压500torr,泵浦强度21.5kW/cm,温度130℃条件下得到铷原子电离度为5×10-5,属于弱等离子体范畴;4、为了研究半导体激光器在776nm远翼光谱成分可能对铷DPAL引起的光激发效应,基于Littrow外腔结构实现了776nm窄线宽半导体激光输出,光谱线宽0.13nm,输出功率10W,外腔效率67%;利用780nm和776nm半导体激光联合泵浦铷增益介质,观察到增强的420nm荧光信号,但电离度相比单780nm泵浦情形出现下降,对其原因进行了推测,有待进一步理论和实验验证。