LD抽运碱金属激光器(DPAL)目前主要采用LD抽运铯(Cs)、铷(Rb)和钾(K)三种碱金属蒸气实现激光输出,具有光束质量好、体积小、易于散热、量子效率高等优势,具备单口径输出兆瓦级高光束质量强激光的潜力,是一种具有良好发展潜力的新型光抽运气体激光器^[1-2]。与Rb和Cs蒸气激光器相比,K蒸气激光器无需加入烃类缓冲气体,从而可避免其引起的蒸气室窗口污染问题,且其量子效率更高^[3]。但由于其输出阈值更高,因而实现出光较其他两种碱金属激光器技术难度更大。2016年,Pitz等^[4]利用气体流动装置获得1.5 kW的钾蒸气激光输出,光-光效率为50%,证明K-DPAL在实现超大功率方面更具潜力。

本文介绍了国内首次实现LD抽运钾蒸气激光器激光输出。图1为LD抽运钾蒸气激光器光路结构,对半导体激光进行扩束后,采用1800 line/mm的平面光栅搭建Littrow外腔对激光线宽进行压窄,得到中心波长为766.5 nm、线宽为0.12 nm的抽运光。经过光束整形后使用焦距为75 mm的双胶合透镜聚焦到钾蒸气室中心,形状近似为方形。使用偏振分光棱镜(PBS)将抽运光导入谐振腔,谐振腔采用平凹稳定腔结构,输出耦合镜反射率为80%,高反镜的曲率半径为200 mm。增益介质为8 mm长的钾蒸气室,内部充有600 torr氦气作为缓冲气体。为避免钾蒸气室热效应导致激光功率的衰退,使用重复频率为100 Hz、占空比约为10%的斩波器对抽运光进行斩波。

图 1. K-DPAL光路结构图

Fig. 1. Schematic of K-DPAL

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使用光谱仪在距输出耦合镜2 m处测得的钾激光光谱图如图2所示,中心波长为769.9 nm,线宽约为 0.08 nm。钾蒸气室温度保持在190 ℃,在抽运功率为10.35 W时,获得 138 mW的钾激光输出,光-光效率约为1.33%。

图 2. 钾激光光谱图

Fig. 2. Spectrum of K laser

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图3为K-DPAL激光输出功率随抽运功率的变化情况,焦点处阈值抽运功率密度约为2.03 kW/cm²,斜率效率为0.884%。由于更换了蒸气室,系统效率略有降低。在距离输出耦合镜后3.1 m处放置承接屏得到的激光光斑如图4所示,在距离输出耦合镜30 cm处使用CCD相机拍摄的激光光斑三维空间能量分布图如图5所示。

图 3. K-DPAL输出功率随抽运功率的变化

Fig. 3. Output power of K-DPAL versus pump power

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图 4. 钾激光光斑图

Fig. 4. Potassium laser spot

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图 5. 钾激光三维空间能量分布图

Fig. 5. 3D energy distribution of potassium laser spot

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目前已经实现了LD抽运钾蒸气激光器的稳定激光输出,后续将进一步增大抽运功率密度,对谐振腔参数等进行优化,以进一步提高激光器的各项技术指标。