高浓度钾蒸气双向交替局域流动的LD泵浦碱金属蒸气激光器

In order to produce high concentration alkali vapor and to solve the problem of pollution, high temperature sealing and flowing in Diode Pumped Alkali vapor Laser(DPAL), a new type of LD pumped transverse flow potassium vapor laser is presented in this project. Boiling evaporation method is proposed to produce high concentration potassium vapor. Meanwhile, the potassium vapor production, active condensation and circulation are relatively limited to gain region to solve high temperature alkali metal vapor cavity pollution and high temperature sealing problems. Background oriented schlieren and finite element analysis software are used to test the flowing system based on this new technology roadmap. After that the temperature measurement system based on optical heterodyne detection is established on the flowing system. It can measure the temperature of gain region. The quantitative analysis for the influences of waste heat and flow parameters on the output characteristics can be obtained by the on-line measurement. At the same time, taking the flow parameters and thermal deposit as influence factors into the model will give a more comprehensive description of the gain medium flow alkali metal vapor laser. Based on the work above, a feasible technical route for high power and scaled power with DPAL system will be achieved.

本项目提出一种新型LD泵浦横向流动钾蒸气激光器，以解决目前碱金属激光器向高功率方向发展所面临的高浓度碱金属蒸气的产生、流动及污染等问题。项目中，提出采用沸腾蒸发方式产生高浓度的钾蒸气，同时，将钾蒸气的产生、循环及主动冷凝通路相对独立出来并局限于增益区附近较小范围内，以解决高温碱金属蒸气带来的腔体污染及高温密封等问题。结合这一新的技术路线的验证及完善，采用背景纹影技术佐以有限元分析工具对增益介质循环流动系统进行测试优化。在此流动系统上搭建碱金属激光器并通过相位外差探测方式对增益区温度分布实现实时在线测量。以此定量分析热问题及流动参量对碱金属激光器输出特性的影响。在上述实验测试工作及已有理论模型基础上，将流动参量及热沉积作为影响因素纳入模型考量，用以更全面的描述增益介质流动的碱金属蒸气激光器。通过上述研究工作的开展，可以为该类极具潜力的激光器实现高功率输出和功率定标放大提供切实可行的技术路线。

半导体激光泵浦碱金属蒸气激光器(DPAL)具有极高的量子效率，具有单口径MW级功率输出的潜力。其体积小、重量轻、高光束质量、适合大气传输等特点，使得它在激光传能、激光加工、光电对抗、激光武器等方面具有较为广阔的应用前景。.本项目提出了双向交替局域流动的LD泵浦碱金属蒸气激光器的新技术路线，采用非平衡蒸气的方法实现更高的碱金属原子数密度，并通过对钾原子蒸发-混合-流动-冷凝过程的控制将碱金属蒸气流道局限在增益区附近，从而提高激光器效率及输出功率。基于所提出的上述技术路线，设计并搭建了LD泵浦双向交替局域流动钾蒸气激光器实验装置。本项目中，开展了适用于钾蒸气的LD泵浦源技术研究，对泵浦源进行中心波长控制、线宽压窄和光束整形，使其与碱金属蒸气和谐振腔达成良好的匹配，提高了泵浦源的利用效率。建立了LD泵浦局域流动非平衡钾蒸气激光器理论模型。分析了流道内气体的流动特性，探究了气体的浓度、温度、流速等参量分布及其演化规律，得到了该新型激光器的最佳工作条件及阈值特性。对比分析了非平衡碱金属蒸气激光器的输出特性，结果显示，在泵浦功率密度为100 kW/cm2时，泵浦非平衡钾蒸气的光光效率可达78.37%，与泵浦饱和蒸气相比提高了32.38%。随着DPAL向更高功率方向发展，在更高的泵浦功率密度下，需要更高的碱金属原子数密度来实现更高的光光效率。在上述研究工作的基础上，采用压窄后线宽0.12 nm泵浦源端面泵浦，实现了国内首次钾蒸气激光器的出光，获得波长为769.9 nm、线宽约为0.08 nm的线偏振钾激光稳定输出，输出功率为138 mW。探究了实验中发现的蒸气室窗口片的标准具效应，利用该效应搭建省去输出耦合镜的特殊谐振腔并开展实验，获得了线宽0.09 nm、功率2.7 W的铷激光输出，光光效率20.9%、斜率效率31.8%。本项目的研究工作，为DPAL发展提供了一条全新的技术路线，将推动DPAL向更高效率、更高功率激光输出方向发展，对于更好满足国家的工业和国防需求具有重要意义。