半導體激光抽運堿金屬激光器研究進展

安國斐，楊 蛟，韓聚洪，蔡 和，劉曉旭，王順艷，王 浟

(西南技術物理研究所，成都 610041)

引 言

半導體激光抽運堿金屬激光器(diode pumped alkali laser，DPAL)是近些年發展起來的新型高效激光器[1-3]。它利用半導體激光器(laser diode，LD)抽運氣態的堿金屬原子作為增益介質，理論斯托克斯效率高達95%以上，且激光的理論發熱率低于5%，這意味著激光介質的熱效應將被大大降低，從而同時實現高功率和高光束質量的激光系統將成為可能[4-6]。由于DPAL的突出優勢集中于其近紅外波段、高效率、高光束質量、高能量、緊湊的結構等5個方面，因此，采用新型的DPAL可以使激光系統的體積和重量大幅減小，并可突破現有激光器難以克服的熱致光學效應等技術瓶頸。目前DPAL正迅速成為前景廣闊的新型高能激光光源[7-8]。

作為一種新型的激光器，DPAL結合了化學激光器和固體激光器的優點，而同時又避開了它們的缺點。相比于化學激光器，使用半導體激光抽運時DPAL具有更高的吸收效率。另外，DPAL中的增益介質通常密封在固定或流動式的蒸氣池內，具有無化學毒性的優點。與固體激光器相比，采用流動循環式的DPAL具有更高效的熱管理方式[9-10]。

盡管如此，DPAL研究中依舊存在著物理性問題需要面對。第1個問題是作為抽運源的半導體激光器的線寬與增益介質堿金屬蒸氣的吸收線寬匹配問題。一般情況，堿金屬D2線多普勒展寬后的線寬(約1pm)比普通半導體激光器線寬(2nm～4nm)窄很多,顯然很難直接用半導體激光器抽運堿金屬激光器。另一個問題是2P3/2和2P1/2兩個能級間的弛豫速率比受激發射的速率慢很多。這意味著電子被激發到2P3/2能級后難以快速弛豫到2P1/2能級上從而形成粒子數反轉。因此，如何加快精細能級間的弛豫速率是實現高效DPAL的關鍵性問題[11-12]。

1 理論研究進展

堿金屬激光器是以堿金屬原子(Li、Na、K、Rb和Cs)的飽和蒸氣作為增益介質，通過其最外層電子的能級躍遷來實現激光作用的一種典型的三能級激光器[11,13]。堿金屬原子具有相似的能級結構，如圖1所示。圖中,2S1/2為基態能級，2P1/2和2P3/2分別為兩個激發態能級。通過抽運將電子由D2線激發到2P3/2能級上，經弛豫振蕩后電子由2S1/2能級躍遷至基態能級上(D1線躍遷)，伴隨出光[14-15]。表1中列出了D1和D2線躍遷情況和對應的斯托克斯效率值。

圖1 堿金屬原子能級結構

表1 不同堿金屬原子的抽運波長、激光波長、精細結構能級間隔和斯托克斯效率

由于Li和Na原子的精細結構能級間隔非常小，難以實現粒子數反轉，因此，目前國內外通常以K、Rb和Cs作為增益介質進行堿金屬激光器的研究。早期的抽運源線寬較寬，難以與堿金屬原子抽運吸收線寬相匹配，直到半導體激光器抽運技術的發展，才使這一問題得到解決。

2004年，美國利弗莫爾實驗室的BEACH等人報道了堿金屬激光器的第1篇理論模型研究工作[16]，介紹了最基本的靜態銫蒸氣激光器的三能級理論模型構建及數據分析，并在低功率抽運情況下與實驗結果吻合得很好(見圖2)。2011年，美國空軍研究院的KNIZE等人提出了堿金屬的五能級系統，在典型三能級理論基礎上增加了更高的堿金屬原子能量碰撞轉移能級和電離能級，計算了堿金屬激光器中能量碰撞轉移和光致電離的詳細數據，并指出在高功率情況下中性堿金屬原子的電離對激光器的效率會有不可忽略的影響[17]。2011年，國防科學技術大學的YANG等人報道了側面抽運堿金屬激光放大器內放大自發輻射(amplified spontaneous emission，ASE)對激光輸出性能影響的理論研究工作[18]，第1次在堿金屬激光研究領域指出了ASE對于大功率化的重要性。

圖2 美國利弗莫爾實驗室的靜態DPAL[16]a—光路圖 b—理論(實線)與實驗(點)數據

2012年，以色列的BARMASHENKO等人在理論建模中綜合考慮了光致電離以及Cs原子化學反應等因素的影響，得到了在高功率抽運情況下與ZHDANOV的實驗結果[19]較為吻合的模擬計算結果[20]，如圖3所示,圖中CW為連續波(continuous wave)。同年，該團隊構建了流動式堿金屬激光器理論模型，研究并報道了堿金屬蒸氣流速對激光器輸出功率的影響，結果表明,激光器輸出功率隨著流速的增加而明顯增大，但是溫度并沒有顯著升高(見圖4)，意味著流動式堿金屬激光器具有更好的熱管理機制[21]。2016年，BARMASHENKO團隊構建了精確的計算流體力學(computational fluid dynamics，CFD)模型研究超音速流動DPAL的輸出性能，對比了超音速、準音速、亞音速情況下的輸出功率情況，結果顯示,3種流速情況下激光器輸出功率都可以達到兆瓦量級[22]。

圖3 BARMASHENKO的計算結果與ZHDANOV的實驗結果對比[20]

圖4 流速對激光器輸出功率和內部溫度的影響[21]

2018年，日本東海大學的ENDO等人基于實驗據，理論分析了緩沖氣體不同組分對銫蒸氣激光器性能的影響。結果表明，緩沖氣氛中甲烷、乙烷、丙烷的不同混合比例對激光的最高輸出功率影響不大，但對銫的上能級混合碰撞截面有影響。課題組基于實驗數據，理論計算得到了不同情況下的淬滅截面數據[23]。同年，ENDO團隊基于波動光學構建了簡化的流動DPAL模型，對激光器的熱透鏡效應進行了研究分析(見圖5)[24],計算結果顯示,該模型可以準確預判由于弛豫躍遷的放熱反應導致的增益介質內的溫度分布及其對應的熱透鏡現象;而抽運功率密度低于10kW/cm2時，更高能級的電離行為對激光器輸出性能的影響可以忽略。

圖5 ENDO團隊理論模型示意圖[24]

2 實驗研究進展

2.1 靜態式堿金屬激光器

在小功率抽運堿金屬激光器的研究中，熱管理問題并不突出，堿金屬蒸氣一般被裝入密閉的玻璃池內，實驗中可以認為是靜止不動的。在研究初期，優先考慮使用具有優異光譜特性和激光輸出的鈦藍寶石激光器作為抽運源。2003年，美國利弗莫爾實驗室KRUPKE團隊使用500mW鈦藍寶石激光器(抽運波長為780nm)抽運銣蒸氣成功實現了堿金屬激光器(激光波長為795 nm)的國際首次出光[3]，實驗中得到的斜率效率和光光效率分別為54%和16%。因為鈦藍寶石激光器的功率通常都很小(0.1W～1W)，研究者們逐漸轉向半導體激光器來取代前者。2005年，該實驗室PAGE等人首先利用半導體激光器(波長為780nm)作為抽運源證實了銣激光器的出光實驗[25],實驗中(見圖6)，他們在蒸氣池中加入了氦氣和乙烷作為緩沖氣體，同時將半導體激光器耦合到光纖上。利用體布喇格光柵壓窄抽運線寬至0.3nm，激光輸出功率為1W，斜率效率為10%。圖6中，OC為輸出耦合鏡(output coupler)，HR為高反膜(high reflector)。

圖6 PAGE等人利用半導體激光器作為抽運源的實驗示意圖[25]

2006年，日本Hamamatsu中央研究所的WANG團隊實現了半導體激光抽運的銫蒸氣第1次的激光出光(激光波長895nm)[26],他們在圓柱形蒸氣池內注入氦氣和乙烷作為緩沖氣體，兩種氣體的壓強分別為69994.26Pa和9999.18Pa。半導體激光器的抽運波長為852nm，抽運線寬為0.2nm;采用重復頻率為1kHz的準連續模式抽運，激光輸出的脈沖能量為13.5μJ，斜率效率為1.8%。同年，美國空軍研究院的ZHDANOV課題組發表了利用鈦藍寶石激光器(波長為852nm)抽運銫蒸氣的實驗工作[4]，他們通過優化蒸氣池溫度、輸出耦合鏡反射率、抽運光斑尺寸得到了81%的斜率效率和63%的光光效率，結果如圖7所示。如此高的斜率效率已經非常接近于理論極值。隨后，ZHDANOV團隊利用兩組窄線寬(10GHz)半導體激光器陣列作為抽運源(抽運波長766nm)，第1次證實了鉀激光器出光實驗[27],激光輸出波長為770nm，斜率效率為25%,實驗中，他們只用79993.44Pa氦氣作為緩沖氣體有效地加快了弛豫速率并加寬了抽運吸收線寬。

圖7 銫蒸氣激光器的輸出特性曲線[4]

在過去的十幾年中，靜態式DPAL的輸出功率得到不斷提升。2008年，ZHDANOV團隊使用了4個抽運源模塊同時進行抽運(抽運波長852nm)，如圖8所示，得到48W的輸出功率和49%的光光效率[19]。圖中，PBS為偏振分光棱鏡(polarized beam splitter)，DM為雙色鏡(dichroic mirror)。2010年，ZWEIBACK等人采用波導增益池得到了145W的連續輸出功率[28],實驗表明，DPAL有能力實現高功率和高效率。

圖8 4路抽運銫激光器光路示意圖[19]

2.2 流動式堿金屬激光器

在2.1節中介紹的DPAL的所有實驗結果都采用了固定式蒸氣池，堿金屬蒸氣被密封在一個尺寸固定的靜態蒸氣池當中。實驗中，蒸氣池內的溫度分布較為恒定，但其中產生的熱很難及時排出，這將直接影響激光器的大功率化。而采用流動式循環系統的話，增益介質內產生的余熱將會被流動氣體實時帶走，能有效保證蒸氣池內的溫度均一性。

2012年，俄羅斯聯邦核子中心的BOGACHEV等人報道了流動式堿金屬激光器的首次出光研究[29],他們的實驗光路圖如圖9所示，采用兩組半導體激光器陣列作為抽運源實現雙端抽運，抽運波長為852nm。蒸氣池內充入一定比例的He-CH4-Cs，加熱至150℃，流速控制為20m/s,得到約1kW的激光輸出，其光光效率達到了48%。

圖9 俄羅斯聯邦核子中心的實驗光路圖[29]

2015年，美國空軍研究院的ZHDANOV等人研究了采用如圖10所示密閉循環流動系統結構的鉀蒸氣激光器[30]。密閉循環系統包括電磁驅動風扇、激光蒸氣池、鉀蒸氣源、緩沖氣體源和真空泵。蒸氣池設計有4個鍍有增透膜的端窗，實驗中鉀蒸氣源的加熱溫度保持在185℃，而循環系統的其它部位溫度保持在195℃以防止鉀蒸氣沉積;系統流速可以控制在0m/s～6.6m/s范圍內，而在6.6m/s流速情況下，他們實驗得到了斜率效率為31%、最大功率為5W的770nm激光輸出。

圖10 ZHDANOV團隊的流動循環系統實驗光路圖[30]

隨后，美國空軍研究實驗室的PITZ等人報道了雙流動循環系統堿金屬激光器以及放大器的研究工作[31]，其實驗系統如圖11所示。利用該系統可以實現堿金屬激光器雙波長輸出，也可以實現堿金屬激光放大器研究。2016年，PITZ團隊報道了利用該系統的銣蒸氣激光放大器研究，得到571W的銣激光(795nm)放大輸出，同時他們利用該系統得到了斜率效率為50%、激光輸出為1.5kW的鉀激光器(770nm)。2018年，以色列BARMASHENKO教授報道了利用循環流動系統的銫蒸氣激光器工作，得到斜率效率為48%、輸出功率為24W的895nm激光[32]。

圖11 a—堿金屬激光器雙循環流動系統[31] b—PITZ團隊K-DPAL的實驗數據[31]

3 西南技術物理研究所的DPAL研究

3.1 蒸氣池內的溫度分布研究

蒸氣池內的溫度分布是DPAL最為重要的物理參數之一，因為它對堿金屬蒸氣的飽和密度有很強的影響。然而，在大多數關于DPAL的研究文獻中，蒸氣池內部的溫度被假定為恒定的，這與實際情況截然不同。作者所在團隊研究出一種同時考慮熱傳學和激光動力學的方案來分析密閉蒸氣池內部的溫度分布[33]。在該理論模型中，一個單元被劃分成許多圓柱形的環，其軸線與圖12a所示相同。模型中計算了每一個圓柱環內的溫度和產生的熱量，得到蒸氣池的總熱量等于所有圓柱環所產生的熱量之和的溫度分布。

圖12 a—蒸氣池分割單元示意圖[33] b—蒸氣池內的溫度分布圖[33]

圖12b所示為橫截面溫度計算結果。很明顯，在不同的抽運條件下，蒸氣池中心的溫度是最高的。此外，隨著抽運功率的增加，溫度梯度變得嚴重。因此在DPAL中使用高抽運功率并不總是會產生更高的光光效率，而這一問題可以通過選擇設計良好的流動增益介質系統來解決。

3.2 DPAL中弛豫振蕩的研究

弛豫振蕩是一種涉及到粒子數反轉和激光腔內光子等問題中能量交換的常見現象。有時，弛豫振蕩中產生的突變可能會對穩定振蕩的建立造成影響。對于DPAL，由于其增益通常非常高，這個問題可能會變得更加嚴重。作者認為值得在DPAL中進行弛豫振蕩研究，以抑制輸出噪聲，設計出穩定的激光系統。構建了一個時間解析的動力學模型，研究不同的蒸氣池溫度、甲烷蒸氣壓、抽運功率、腔長和輸出耦合鏡反射率條件下的弛豫振蕩特性[34]。結果表明,可以通過調整以上參數在一定程度上控制DPAL系統中的弛豫振蕩。

圖13所示為參考文獻[35]中的實驗結果和模擬的激光脈沖結果。可以看到，理論模擬和實驗結果中都明顯存在弛豫振蕩現象。另外，計算結果的曲線略高于實驗結果。這種差異可能是由測量誤差和在模擬過程中所做的假設造成的，例如抽運與激光光束之間的完美模式匹配、蒸氣池內的均勻溫度分布以及抽運激光器的高斯分布等。此外，在理論研究的基礎上，弛豫振蕩的第1個尖峰振幅甚至達到穩態連續輸出值的7.5倍(抽運功率80W),這種脈沖可能會對高功率DPAL的光學元件造成損傷。未來獲得弛豫振蕩尖脈沖的弱峰強度，需要采用優化的蒸氣池溫度、適當的甲烷氣壓、相對較低的抽運功率、相對較長的腔長以及輸出耦合鏡相對較高的反射率。

圖13 a—參考文獻[35]中實驗結果 b—作者團隊的理論計算結果[34]

3.3 DPAL的理論優化研究

國內外雖然已經報道了許多關于DPAL的研究，但是很少有人對DPAL的優化進行系統地研究。作者所在團隊于2017年利用已建立的模型[36]，結合熱傳學和激光動力學研究了不同物理參數，諸如蒸氣池的長度、半徑以及蒸氣池的加熱溫度等對輸出功率的影響，并得到了輸出功率與輸出參數的2維和3維分布圖(見圖14)，詳細地給出了不同抽運功率下對應的最佳物理參數。

圖14 輸出功率與輸出參數的3維與2維分布圖[36]

3.4 時域調制式堿金屬激光放大器

一般而言，堿金屬作為激光介質，其顯著優勢表現為增益系數非常大，即使功率很小的激光脈沖也可利用主振蕩功率放大器(master oscillator power amplifier，MOPA)結構來實現較高的放大倍率；另外，由于堿金屬原子上能級壽命比普通固體激光介質小4個數量級，當調制到數十或數百兆赫茲量級的激光脈沖串經過堿金屬蒸氣池后，絕大部分從基態經受激吸收躍遷到上能級的電子，能夠在較短時間內通過受激輻射返回到基態能級，這樣就能保證每個脈沖信號在被放大前，堿金屬各能級的粒子數分布類似于調制開始時的狀態，因而在理論上可以保證放大后高重復調制頻率的激光信號不會產生失真，同時亦能得到較高的放大倍數。2019年，作者所在團隊著手建立用于將堿金屬作為增益介質的時域調制放大器的理論模型，并進行了相關實驗研究工作[37]。圖15所示為實驗得出的放大后的調制信號波形。可以看出,在加熱溫度較低時，波形失真較小，但當溫度升高時，波形失真變得不可忽視，失真主要是由于ASE所致。在今后的研究中，也將重點關注ASE效應，并著手優化堿金屬放大器結構以獲得滿足需要的放大波形。

圖15 堿金屬作為增益介質的時域放大器實驗結果[37]

3.5 DPAL中的有害振蕩以及DPAL的雙波長激光輸出激光器

堿金屬激光器是一類典型的高增益激光器，其在放大受激輻射的光子產生激光的同時，也會放大其它自發輻射的光子，從而在激光諧振腔中產生寄生振蕩。通常而言，這種寄生振蕩對激光器是有害的，其會大量消耗激光上能級粒子數，從而降低激光出光效率。實驗發現，在不加諧振腔的情況下，直接讓抽運光單次通過蒸氣池，依然能明顯觀測到與激光光子同頻率的振蕩產生。鑒于此，建立了理論模型，結合玻璃蒸氣池的制造工藝，討論了3種典型的蒸氣池結構對這種有害的寄生振蕩的影響(見圖16)，在不同溫度下將仿真結果與實驗數據進行了對比，并給出了一種可以有效減少該種寄生振蕩的蒸氣池結構[38]。圖16中，AR為防反射(anti-reflection)。

圖16 堿金屬蒸氣池中可能存在的3種激光諧振腔[38]

2018年，作者所在團隊報道了一種可以同時輸出兩種波長的雙波長堿金屬激光器的研究工作。圖17所示為實現Rb-Cs雙波長輸出的光路圖。將兩個分別封裝有Rb和Cs的蒸氣池以串行的方式沿著光軸放置在諧振腔里，采用雙向抽運的結構，實現同時輸出兩個波長的堿金屬激光器[39],系統地研究了不同抽運光斑尺、抽運光束腰所在位置以及溫度對雙波長功率輸出的影響，為雙波長激光器的設計與發展提供了很好的參考。圖17中，RM為全反射鏡(reflect mirror)。

圖17 Rb-Cs雙波長激光輸出的實驗光路圖[39]

3.6 DPAL中ASE的研究

近期，作者所在團隊基于光線追跡原理更為精確地計算了端面V型抽運銫蒸氣激光器中的ASE的效應(見圖18)，并系統地研究了溫度、蒸氣池幾何結構和抽運功率等因素對ASE的影響[40]。結果顯示，在薄片DPAL中ASE的影響不可忽略，并且受抽運功率、蒸氣池厚度、蒸氣池溫度等因素影響。需要綜合考慮各種因素的影響，才能有效減少ASE對激光器性能的不利影響。

圖18 a—V型抽運DPAL的光路示意圖[40] b—薄片蒸氣池的分割示意圖[40]

4 結束語

DPAL作為一種大有前途的新型激光器，在過去的10多年時間里得到了迅速的發展。在理論方面，堿金屬鉀、銣、銫的能級結構以及相應的激光動力學研究已經非常細致；流動激光系統的3維模型仿真與實驗結果吻合相對較好。在實驗方面，各個波長激光器的大功率化進展迅速，目前基本都已處于千瓦輸出量級。未來堿金屬激光器更大功率十萬瓦級的實現，需要分別在理論和實驗研究中尋求更多的突破。理論研究應該集中在超高氣壓和超高溫度條件下的動力學過程研究，以及堿金屬與緩沖氣體比例、堿金屬與系統材料之間的化學反應等的研究。實驗方面將會著重于大功率激光輸出的抽運效率、輸出效率及初期工程化的探索研究。相信在不久的將來，具有良好光束質量的高性能DPAL將會得到更為快速的發展并走向應用。