新型碱金属激光器的开发与应用

摘 要：文章扼要介绍了新型二极管激光泵浦碱金属蒸气激光器（Diode pumped alkali vapor lasers-DPALs）的特点、开发和应用。DPALs是兼顾固体激光器和气体激光器优点的新型激光器，它具有量子效率高、光束质量好和线宽窄等特点。在军事领域的定向能量传输、大气环境监测、材料功能处理和医疗等方面具有非常广泛的应用价值，具有较大的研究意义。

关键词：碱金属激光器；近红外；量子效率

新型二极管激光泵浦碱金属蒸气激光器（Diode pumped alkali vapor lasers-DPALs）具有量子效率高和光束质量好等特点，另外它的激光线宽非常窄。那么为什么要发展DPALs呢？因为现在常用的固体激光器和气体激光器都具有严重的缺陷。首先，固体激光器它主要采用的是闪光灯激励和商用激光二极管列阵泵浦，它的优点是具有好的稳定性能，高的转换效率以及寿命长，但是当它在长时间工作并伴随高功率输出时就经常存在着热损伤（例如：热致双折射、热致断裂等）。在激光出光问题上，它存在着激光光束畸变等需要解决的问题。而对于目前常用的气体激光器而言，它的泵浦方式是直接放电方式来泵浦激光腔内的介质，它的优点是具有丰富的光谱线、优良的光束质量以及热量均匀分布等，但它也存在着严重的需要改进的缺陷，比如它存在内部系统复杂，稳定性较差以及工作寿命较短等。在这种背景下就要求科研工作者在两者的基础上结合两者的优点，解决两者的缺点重新设计一种新型并兼顾气体和固体激光器优点的激光器，这是激光器件未来发展的方向，是一个重要的研究领域，也是众多科研工作人员共同追求的目标。二极管激光泵浦碱金属蒸气激光器是近几年发展非常迅速的新型激光器，由于它既有目前市场上常用的固体激光器件和气体激光器件的优点，同时又有高光束质量、高效、高功率和能够实现近红外激光输出的特点，因此二极管激光泵浦碱金属蒸气激光器吸引了科研人员的极大关注。

我们知道，原子分子中碱金属原子的光学截面非常大，因此它们的活性也非常大，碱金属原子能够提供将非相干的多模泵浦光束转变成相干单模光束的高效出光机制。作为增益介质之一的某种碱金属蒸气具有良好的光学性能和约几MHz的非常窄的吸收线宽等优点。它的激光工作能级结构为准三能级的结构，实验中设计的泵浦源是目前市场上常见的商用多模二极管激光器，为了使三能级激光得到有效运转，那就必须同时满足以下两个条件：（1）由于碱金属D1和D2线原子跃迁线宽非常窄，因此必须要充分展宽这些谱线，这些可以通过碰撞来实现，目前实验的方式主要是加一些缓冲气体，增加碰撞效率，这样可以保证跃迁谱线均匀展宽。实验室中主要是通过添加几个大气压的稀有气体，如He气来得到。（2）商用的多模二极管激光器谱线较宽，虽然实验中碱金属的D2谱线的全高半宽宽度已经通过碰撞被展宽了，但展宽的幅度相对于二极管泵浦源的线宽来说仍然要窄很多。碱金属激光器中激光高效运转的条件就必须要使泵浦光被碱金属D2线有效吸收，即要求泵浦的有效线宽与碱金属吸收线的有效线宽相匹配。目前实验室中主要采用的是端面泵浦的几何结构，目的是使D1线跃迁谱线有效被通过碰撞均匀展宽，使泵浦的吸收效率大幅增加。

二极管激光泵碱金属蒸气激光器（DPALs）作为一种新型的激光器件，对于发展高功率激光器有非常多的优势。DPALs除了保持了商用固体气体激光器的优点外，它还拥有着自身显著的特点：

（1） 极高的量子效率。由于二极管激光泵碱金属蒸气激光器中介质碱金属原子D2线跃迁谱线和其发射的跃迁谱线D1线间的能量差较小，所以在谐振腔激光产生过程中的热量转化也较少，相比于固体气体激光器拥有更高的量子效率。

（2）较高的增益性能。碱金属原子拥有极高的量子效率，二极管激光泵碱金属蒸气激光器（DPALs）就极易获得高增益。实验室中设计的非稳腔激光结构，已经实现在高功率激光系统中，输出有大数值孔径并且接近衍射极限的激光。

（3）混合介质气体的折射率变化幅度很小。固体激光器光束的质量衰变主要由于固体介质在高温下折射率变化等因素。高密度固体介质或具有晶格结构的材料在输出高功率的激光时，就一定伴随存在着热损伤，它们对温度变化反应强烈。而二极管激光泵碱金属蒸气激光器（DPALs）则不存在这些缺陷。

（4）热稳定性良好。气体介质很容易通过气体循环流动而达到冷却的，这样就非常容易的解决了高功率激光器长时间工作普遍出现的热效应问题。

二极管泵浦碱金属激光器的这些特性，使得它在研究基础物理、航天科技、激光加工工业和医疗卫生等方面都能得到很快的应用：a.在基础物理研究方面。二极管激光泵浦碱金属蒸气激光器DPALs的发展为基础物理中量子光学和激光光谱学及应用等学科领域的研究能提供全新的实验手段，例如碱金属蒸气激光器件的可调谐窄线宽的特性使得实验中谱线能够在不同超精细共振态间得到有效调制，这在目前是做不到的；b.二极管激光泵碱金属蒸气激光器（DPALs）可应用于超远距离的定向能量传输领域。二极管激光泵碱金属蒸气激光器（DPALs）发出的激光恰好能够与某些半导体光伏材料的特征响应谱线得到很好地匹配，而且它所具有的连续激光谱线相比于脉冲激光的激光谱线照射时，具有更高效的转换效率，并且使用寿命长，因此二极管激光泵碱金属蒸气激光器（DPALs）能够向外太空基地和空间卫星发射连续的激光，通过一系列器件的光电转换产生电能。例如：铯二极管激光泵碱金属蒸气激光器（DPALs）的895nm谱线照射硅太阳能电池，光伏转换效率可达40%，铷的795nm和钾的770nm激光波长谱线照射GaAs太阳能电池，光伏转换效率可达60%；c.在激光工业加工的方面。由于二极管激光泵浦碱金属蒸气激光器具有很好的光束质量，它更容易被所加工的工业材料吸收，能够很大地提高加工效率；d.可用于军事科学研究。二极管激光泵浦碱金属蒸气激光器（DPAL）相比于化学激光器，DPALs它不需要各种危险的化学物质，没有危害的化学物质排放，更环保。二极管激光泵浦碱金属蒸气激光器（DPAL）相比于固体激光器件，DPALs产生的废热非常少，并且它的工作介质气体本身更容易流动，散热性能优良。所以二二极管激光泵碱金属蒸气激光器（DPALs）将会在军事领域得到很好地发展。

综上所述，二极管激光泵浦碱金属蒸气激光器（DPALs）是兼顾了固体激光器和气体激光器优点的新型激光器，它具有量子效率高、光束质量好和线宽窄等特点。在军事、定向能量传输、环境监测、材料处理和医疗等领域有广泛的应用前景，具有较大的研究意义和学术价值。

参考文献

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作者简介：穆保霞（1974，5-），女，陕西省兴平市，讲师，硕士，研究方向：原子与分子物理。