[发明专利]一种基于电磁驱动模式的半导体泵浦气体激光系统

说明书

本发明属于激光技术领域，具体涉及一种基于电磁驱动模式的半导体泵浦气体激光系统，包括基于电磁驱动模式的激光工作介质发生装置、羽流区、半导体泵浦系统；系统在工作时，激光工作介质发生装置在电场和磁场的作用下对工作介质进行电离产生等离子体，等离子体在电磁场的综合作用下加速喷出形成羽流区，羽流区中可作为激光增益介质的工作介质在半导体泵浦系统的泵浦作用下实现激光输出；同时，由于羽流区中工作介质高速运动，将激光泵浦过程中产生的废热高效排出；具有全电操作、轻量紧凑、高比功率、高效热控和单口径输出等优势，推进新一代高电光效率、高光束质量和高平均功率激光光源的发展。

技术领域

本发明属于激光技术领域，具体涉及一种基于电磁驱动模式的半导体泵浦气体激光系统。

背景技术

自上世纪六十年代激光器问世以来，人们一直致力于发展具有高平均功率、高转换效率和高光束质量的激光系统，在工业和国防等领域具有重要应用。激光系统本质上是将泵浦能量(如化学能、电能、光能等)转换为具有高相干性低熵的激光输出，同时必然伴随部分泵浦能量转变为高熵的废热，废热的累积会导致激光系统性能恶化和损伤，且在高能激光系统中更加明显，高能激光系统发展的关键在于热管理。

化学激光作为目前唯一实现兆瓦级输出的光源，除了对增益介质的合理选取以外，关键在于采用了高效气动排气散热技术，并且气体介质良好的均匀性、无内应力、低热光系数等均有利于获得高光束质量。然而，化学激光的运转需要复杂的燃料供给和庞大的压力恢复系统，激光系统体积重量居高不下，后勤保障困难，难以应用于机动平台。现代高能激光已经从上世纪的化学能时代步入电能时代，这在很大程度上得益于半导体激光的快速发展，使得大功率窄线宽选择性泵浦成为现实，同时得益于板条、薄片、光纤等激光介质的不断发展，全固态激光器成为高能激光发展的热点。然而，全固态激光器单路输出功率始终停留在万瓦级，十万瓦级功率水平需要多路合束，至于兆瓦级固态激光系统目前尚无明确的技术路线。根本原因仍然回归到散热问题上，由于固体激光介质只能通过传导散热，且热导率都偏低，因而只能做成薄片、光纤等大比表面积结构，相应的导致了有限的模体积和其他技术障碍。

高能激光的发展需求和传统技术方案的局限催生了半导体泵浦气体激光的诞生和发展。这是一种新型的气固融合激光体系，采用半导体激光泵浦气相增益介质实现激光输出，旨在继承化学激光气流散热和固体激光全电操作、轻量紧凑等综合优势，开辟一条具有单口径兆瓦级输出潜力的新型高能激光之路。其中，典型代表为半导体泵浦碱金属激光(Diode Pumped Alkali Lasers,DPALs)，选择具有高量子效率且可以循环使用的碱金属原子饱和蒸气作为增益介质，利用近红外波段窄线宽半导体激光进行高效泵浦(钾766nm，铷780nm，铯852nm)，通过气体流动进行散热，兼具电能驱动、高效紧凑、单口径定标放大等优势，目前已经验证数十千瓦平均功率，正在朝更高功率量级迈进。同时，DPALs的发展需要突破大功率窄线宽半导体激光和高活性碱金属饱和蒸汽流控制等关键技术，人们一方面致力于快速推进上述技术的发展，另一方面也在积极探索其他类型半导体泵浦气体激光，比较有代表性的是半导体泵浦亚稳态惰性气体激光和半导体泵浦纳米气体激光。半导体泵浦亚稳态惰性气体激光(Diode Pumped Metastable Rare Gas Lasers,DPRGLs)采用亚稳态惰性气体原子代替碱金属原子，即通过电子碰撞将惰性气体原子满壳层中的电子激发为价电子形成亚稳态结构，其在构型和光学性质上与碱金属原子非常相似，可以采用类DPALs方式进行泵浦出光，其惰性气体工质操作简易、瞬时产生且安全可靠。半导体泵浦纳米气体激光(Diode Pumped Nanoparticle Gas Lasers,DPNGLs)采用半导体泵浦气相悬浮的稀土离子掺杂(Nd³⁺或者Yb³⁺)纳米颗粒，利用载气流动散热，旨在实现宽带泵浦和增益介质的常温简易操控。DPRGLs和DPNGLs均在物理和工程角度表现出各自的相对优势和定标放大潜力，目前得到越来越多的关注和发展。

发明内容