[发明专利]薄片型半导体激光泵浦碱金属激光系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种半导体泵浦碱金属蒸气激光器，尤其涉及一种薄片型的半导体激光泵浦碱金属蒸气激光器。

背景技术

半导体泵浦的碱金属蒸气激光(Diode Pumped Alkali Vapor Laser,DPAL)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、光束质量好和线宽窄等特点，近年来迅速发展的新型高效激光器。,在激光干扰、激光冷却、定向能量传输、环境监测、材料处理及医疗磁共振成像系统等方面有广泛的应用前景。半导体抽运碱金属蒸气激光器DPAL是一种典型的三能级激光器，其主要增益介质为钾(K)、铷(Rb)和铯(Cs)蒸气。这三种增益介质原子具有相似的能级结构。比如在如图3所示碱金属原子的能级结构中,处于碱金属原子基态E0能级的电子受激吸收泵浦光后跃迁至激发态E2能级，并弛豫至E1能级，当E1能级和E0能级形成粒子数反转后将产生受激辐射光。在此过程中，为加快电子的弛豫速度，通常需要充入一定的小分子烷烃类气体作为缓冲气体，如甲烷，乙烷等。在DPAL中，多普勒展宽后的碱金属原子吸收线宽通常比半导体激光泵浦源的线宽一般比小3-4个数量级。为实现高效率的激光输出，需要解决半导体激光线宽和碱金属原子吸收线宽的不匹配问题。在实际激光器设计中，常常采用以下两种方法：一种是将半导体激光的输出线宽进行压窄；另一种是充入高压强的缓冲气体(氦气或烷烃类气体)通过气体碰撞展宽碱金属原子的吸收线宽。

目前，碱金属蒸气腔内的温度梯度分布是影响DPAL高功率高光束质量输出的主要问题之一，这种现象是由于气体介质热传导性能较差、增益介质对泵浦光在空间上的吸收不均匀等因素而造成的，特别是在高功率泵浦情况下腔内的温度梯度分布尤为明显。温度梯度分布会导致增益介质密度在腔内不均匀分布以及产生热透镜效应等问题，并影响激光输出的光束质量和稳定性，甚至会限制激光功率的提高。采用气体流动散热的方法能减轻DPAL的热效应，但会增大系统的复杂性。

薄片激光器在固体激光领域解决较好的解决了温度梯度分布问题，其概念是由德国斯图加特大学(Stuttgart University)首先提出,目前在高能固体激光领域得到了极大的应用。薄片激光器的主要思路是利用薄片状激光晶体作为激光器的增益介质，可采用端面或侧面泵浦的方式。由于激光晶体厚度很薄(φ/d值很大，其中φ为晶体的直径，d晶体厚度)，在高效冷却技术的条件下，即使采用高功率密度的泵浦光进行泵浦，晶体内部轴向温度梯度也很小，温升不大且晶体中热流方向与光轴方向平行。这种近似均匀分布的温度场极大地减轻了晶体的热形变以及对激光光束质量的影响。但设计高功率固体激光器的主要难度在于，对抽运过程中无法避免的废热进行处理以及消除由于将废热去除而导致的后果。在激光工作过程中如果不对增益介质冷却，就会导致其温度升高，使得增益系数降低，最终导致不能工作，对增益介质冷却就会引起热透镜、机械应力及其它许多问题的产生，进而可能使激光光束质量下降。降低激光输出功率、甚至可能导致固体激光增益介质的破裂。消除由于消除废热而引起的后果，必须要减少热量和热流密度，减小热流的传导路程和对激光场的影响。近几年来，关于这方面的研究有很多的设计模型。比较理想的模型是盘片激光器。二是在激光工作过程中不对增益介质冷却，即同体热容激光器。这就要求选择增益介质的热容和密度要尽可能的大。从而在相同的激光输出的情况下，增益介质的温度升高尽量小。由于Yb离子的量子缺陷比Nd离子低的多，约为1/3，相同抽运条件下，以相同的晶体尺寸，Nd:YAG晶体的输出功率比Nd:GGG晶体大约高1/3。这在很大的程度上降低了废热的产生。但是由于Yb离是准三能级结构，激光下能级低，所以受温度影响大，抽运值高。盘片激光器向高功率发展的瓶颈有两个:热机械变形和放大自发辐射(ASE)。热机械变形主要是由于淀积在增益介质里的废热引起的。去除废热就会引起热透镜、机械应力及其它许多问题，进而可能使激光光束质量下降、降低激光输出功率、甚至可能导致固体激光增益介质的破裂。ASE是由于盘片长轴方向发生寄生振荡引起的激光输出量降低。废热在热容激光介质中的淀积是压应力，而传统激光器为张应力。理论分析表明:压应力的破坏阈值为张应力的5倍以上。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的不足之处,提供一种能够加快蒸气介质在轴向方向的散热速度，可进一步减轻蒸气腔横向方向的温度梯度分布的薄片型的半导体激光泵浦碱金属激光系统。以缓解DPAL工作时碱金属蒸气腔内温度梯度分布的问题。