半导体激光抽运碱金属激光器(DPAL)具有很高的斯托克斯效率、高光束质量、近红外光谱等优异的特性,得到了广泛的关注和较快的发展。作为典型的三能级激光器, 碱金属激光器连续输出的近红外波长分别为895nm(铯), 795nm(铷), 770nm(钾)。介绍了半导体激光抽运碱金属激光器的物理机理和重要研究进展, 以及作者团队在碱金属激光器方向做的理论和实验研究情况, 讨论了该领域存在的问题和难点, 并对碱金属激光器的未来发展进行了分析和展望。

对100 kHz运转的腔倒空薄片激光器的输出特性进行了理论和实验研究。首先建立起腔倒空薄片激光器的速率方程理论模型,模型中考虑了单位时间谐振腔中新增的自发辐射光子数,对其占总自发辐射光子数的比例进行了分析,并结合一些参数进行了仿真。进一步搭建了重复频率为100 kHz的腔倒空薄片激光器实验装置,获得了平均功率为253 W的纳秒激光脉冲输出,光光效率约为35.2%,脉冲宽度为10.4 ns,单脉冲能量为2.53 mJ,脉冲的峰值功率超过了200 kW, x和y方向的光束质量M²分别为9.77和9.27。针对腔倒空调Q的动力学稳定性问题,研究了普克尔盒开关时间对输出平均功率和输出脉冲稳定性的影响,实验中观察到了倍周期分岔和确定性混沌现象,从理论上对这个现象进行了仿真分析,仿真结果可与实验结果相符。

报道了一种结构简单紧凑的高峰值功率抽运单级双通掠入射Nd:YVO4板条放大器。为了抑制高峰值功率抽运时的放大自发辐射(Amplified spontaneous emission, ASE), 板条晶体上下表面镀锗处理, 并设计了掠入射全反射中心点与抽运区域中心点不重叠的双通放大光路。采用该放大器对重复频率200 Hz, 单脉冲能量10 μJ, 脉冲宽度24 ns的种子光进行放大, 在最大抽运能量35 mJ时, 获得了单脉冲能量2.7 mJ, 脉冲宽度24.3 ns, 光束质量因子M2约1.2的激光输出, 能量提取效率7.7%。

采用平面光栅搭建外腔压窄单巴条半导体激光器线宽,得到中心波长为 766.5 nm、线宽为0.12 nm的抽运光。抽运光经光束整形后聚焦到长度为8 mm的钾蒸气室中心,蒸气室内充有600 Torr (1 Torr=133.322 Pa)氦气作为缓冲气体。保持钾蒸气室温度为190 ℃,获得了中心波长为769.9 nm 、功率为138 mW的线偏振钾激光输出。

利用掺铒钇铝石榴石(Er∶YAG)单块非平面环形腔(NPRO)激光器作为种子源,通过注入锁定技术研制了半导体抽运的Er∶YAG陶瓷单频脉冲激光器。在重复频率为200 Hz的条件下,获得了脉冲能量为11.45 mJ、脉冲宽度为174 ns的1645 nm单频脉冲输出,在x和y方向上的M²因子分别为1.45和1.42,脉冲光与种子光拍频信号的频谱半峰全宽为2.67 MHz。实验表明,Er∶YAG陶瓷作为增益介质在产生1.6 μm激光方面具有较好的性能。此激光器可在激光雷达领域作为多普勒相干测风激光雷达和遥感激光雷达的光源。

实验研究了内表面未镀膜的碱金属蒸气室窗口片的标准具效应对激光输出的影响。研究结果表明：蒸气室两个内表面作为激光输出面时的光斑图样不同，且均伴随有寄生光斑; 蒸气室窗口片之间的楔角导致了寄生光斑的产生。将激光器在不同输出耦合率下阈值的实验结果和理论结果进行比较，验证了碱金属蒸气室内表面未镀膜时具有标准具效应，存在多次反射; 仅碱金属蒸气室作为输出耦合镜时,标准具效应是输出光斑的主要机制,此时获得了1.8 W的铷激光，其光光效率为10.2%，斜率效率为15.8%。

采用基于半导体可饱和吸收镜的被动调Q微晶片激光器, 对三通掠入射Nd∶YVO4板条激光放大器进行了实验研究。理论研究了水平方向模式匹配比和掠入射角对板条激光放大器热致畸变的影响。实验验证了掠入射板条激光放大器水平方向最优模式匹配比为0.6, 且采用较小的掠入射角可以在保证高增益的同时产生较小的水平方向热致畸变。确定模式匹配比为0.6且三通掠入射角分别为3°、5°、7°时, 重复频率为100 kHz、平均功率为2 mW、光束质量因子M2=1.17的种子光源所产生的激光经过掠入射Nd∶YVO4板条三通放大后, 最终获得12.6 W的激光输出, 光-光提取效率达到28%, 脉冲峰值功率为1.1 MW, 脉冲能量为126 μJ, M2=1.4。

为了获得高重复频率的飞秒激光脉冲，将突发运行模式引入飞秒碟片再生放大系统中。通过将再生放大器的腔长设计为9.3 m,激光系统输出了接近衍射极限的激光脉冲，且激光脉冲的重复频率为电光调制频率的5倍。在电光调制频率为5 kHz、吸收的抽运功率为98 W的条件下，获得了最高输出功率为10.7 W、光谱半峰全宽为1.18 nm、脉冲宽度为777 fs的双曲正割脉冲输出。再生放大器的光-光转换效率随着电光调制频率的增加而增加，从频率为0.5 kHz时的12.4%增加到频率为5 kHz时的25.3%。激光的输出稳定性在18~20 ℃的温度区间内随着水冷温度的降低而提高，激光系统输出功率的均方根从20 ℃时的0.93%变为18 ℃时的0.52%。该研究结果对于设计具有高重复频率、高功率且性能稳定的飞秒激光系统具有参考价值。

报道了一种新型小体积的半导体激光端面抽运国产Dy∶YAG单晶的黄光激光器。根据Dy∶YAG激光晶体的特殊能级结构, 采用半导体激光抽运, 利用4F9/2→6H13/2的能级跃迁, 室温下直接获得582.7 nm的黄光激光。抽运源采用蓝光LD, 通过温控系统调节LD的工作温度, 优化中心波长至447.3 nm, 从而实现抽运光波长与Dy∶YAG晶体吸收谱线的较好匹配。在吸收抽运功率为1.4 W的条件下, 输出黄光激光的平均功率为56 mW, 最大单脉冲能量达到1.1 mJ, 对应的光光转化效率为4%, 斜率效率为5%。

半导体激光器抽运碱金属激光器（DPAL）是近年来发展迅速的新型激光光源。DPAL的主振荡功率放大（MOPA）系统是实现DPAL高功率化的最理想工程手段之一。相对于传统激光器，DPAL的吸收和发射线宽非常窄，因此种子光的线宽是影响DPAL-MOPA输出特性的重要参数之一。建立端面抽运DPAL-MOPA系统的微观动力学理论模型，在计算步骤中考虑了种子光线宽与发射截面的波谱分布，详细计算和分析了种子光线宽对DPAL-MOPA系统的输出功率、输出线宽、提取效率、增益系数和抽运吸收等特性的影响，有助于将来定标放大高功率DPAL系统的构建。