横向泵浦的DPALs的特性、机理与热管理研究

【摘要】光泵碱金属蒸气激光(Diodepumpedalkalivaporlasers-DPALs)是兼有固体激光和气体激光优点的新型激光器件,具有量子效率高、增益介质光学性能好以及线宽窄等特点。这类激光在激光冷却、远距离能量传输、医疗核磁共振等领域有广泛的应用前景,对它们的激光机理和动力学进行深入的理论和实验研究,具有较大的研究意义和学术价值。本论文介绍了半导体泵浦的碱金属蒸气激光的发展历史及相关的技术方案和动力学模型。从两个方面阐述了二极管泵浦源线宽和碱金属原子D2吸收线宽间的线宽匹配方法,一个方面为比较分析了LDAs(laserdiodearrays)线宽外腔压缩的实验方法,另一个方面为在考虑碱金属原子的同位素、超精细能级结构分裂对光谱线型、光学吸收截面等影响的基础上,分析了缓冲气体对碱金属原子(本文以铷为例)D1线和D2线的吸收线宽的展宽机制。在深入理解与分析DPALs的实验设计方案、激光机理和动力学过程的基础上,建立了一个完整描述二极管横向泵浦Cs蒸气激光的激光发射机制的物理模型,应用文献报道的工作参数,数值求解出了横向泵浦下的Cs原子的有关能级粒子数密度和腔内腔外光子数密度等微观参量的演化过程,定量分析了激光输出特性与各工作参数如泵浦光参量、输出耦合镜反射率、缓冲气压、蒸气池长度的定量关系,深刻阐明了此类激光的粒子数反转机制与激光发射物理图象。考虑饱和放大效应,本文建立了基于二极管横向泵浦的铯蒸气激光MOPA系统的物理模型。给出了主振荡池和放大池中,增益介质铯相关能级的粒子数密度速率方程、有关动力学过程和光学跃迁的参量等,通过使用与文献一致的工作参量,求解该MOPA系统模型得到的模拟结果与实验数据基本一致。在此基础上,进一步模拟了泵浦光在放大池内的分布,通过比较选择了双侧对称的泵浦方式,并且计算模拟了此泵浦方式下,各工作参数如泵浦光功率、放大池温度、蒸气池长度等对激光放大功率与放大倍数的影响,得到了一组优化工作参数,从而为实验提供指导。设计了一个六个LDAs侧面泵浦的铯蒸气激光实验方案。在分析了泵浦光强分布后,计算模拟了铯蒸气池内的温度场与光程差分布,计算分析了泵浦光功率、泵浦光束腰半径和蒸气池温度对热透镜焦距的影响,并设计了一种简单有效的方法来补偿热透镜。该部分的设计方案、模拟结果为实验上设计高效高功率的侧面泵浦DPALs提供了参考。最后,论文实验研究了半导体纵向单端泵浦铷蒸气激光的输出特性,得到了百毫瓦功率的795nm铷激光的稳定输出。
【作者】杨静；
【导师】潘佰良；
【作者基本信息】浙江大学，光学，2014，博士
【关键词】横向泵浦；碱金属蒸气激光；线宽匹配；超精细结构分裂；光谱线型；动力学模型；MOPA系统；热透镜效应；

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