高功率二极管抽运碱金属蒸气激光器（DPAL）的功率已经达到10 kW量级，具有满足军用激光**对光光转换效率、质量、体积等高要求的潜力。碱金属蒸气激光器具有可定标放大且保持良好光束质量特性的优点，在过去的十多年中一直是研究热点。首先简介DPAL的原理和研究概况，接着回顾DPAL发展历程，评估DPAL目前取得的重要成果和发展前景，然后分析面临的技术挑战和影响因素，在提出解决方法的同时分析不同方法的优缺点，最后探讨满足实战化要求所面临的单项技术和系统问题的方法。

研究钠氩(Na-Ar)混合物电离后产生的原子发射光谱的时间分辨特性。氩763.5 nm光谱强度随时间演变出现2个峰,第1个峰的衰减时间为(33.3±2.3) ns,激发态钠通过碰撞传能[(时间常数为(15.2±0.8) ns]将氩激发到2p6能级,再由该能级的粒子快速辐射形成第1个峰;第2个峰由氩离子与电子复合产生,其衰减过程包括快过程[(0.24±0.03) μs]和慢过程[(3.98±1.03) μs]。利用电子浓度随时间的演变关系分析了复合过程对衰减时间的影响机理,获得了电子浓度、电子温度随时间的演变关系。利用时间分辨光谱解释了钠双线辐射加宽差异的假象,其成因是Stark加宽后的氩588.9 nm谱线叠加在钠D2线上以及钠双线的自吸收。复合后,激发态氩原子的能级间隔较小,经过级联弛豫后,2p6能级粒子数的积累时间比钠3P能级更短,氩原子发射谱线的持续时间明显短于钠原子。

蓝紫激光和中红外激光在基础研究和**工程中有重要的应用前景。单光子吸收的碱金属蒸气激光器具有量子效率高、受激发射截面大和热管理性能好等优点, 近些年来已成为激光领域中研究热点之一, 目前已实现kW量级的输出。双光子吸收的碱金属蒸气激光器可实现蓝紫激光和中红外激光级联输出的特性, 也引起越来越多的关注。本文从碱金属原子密度、泵浦光功率、偏振和频率失调量以及调控激光等几种影响因素出发, 综述了双光子吸收碱金属蒸气激光的研究进展, 在此基础上分析了影响激光输出特性的原因, 最后对双光子吸收碱金属蒸气激光器的发展趋势进行了展望。

介绍了一个结合速率方程、泵浦光功率和输出激光功率的轴向微分方程以及温度的径向微分方程的碱金属蒸气激光器的物理模型.在充分考虑泵浦光和激光光斑半径的轴向分布以及它们光强的径向分布的基础上, 模型再现了实验测量得到的有激光输出与无激光输出情况下蒸气池内的峰值温度, 对应50 W、220 W和370 W的泵浦光, 在有激光输出情况下的峰值温度分别为346℃、480℃和696℃; 在没有激光输出条件下的峰值温度分别为321℃、414℃和609℃, 总体温度曲线与实验一致.模型计算所得的猝灭的产热量在有激光输出时占总产热量的85%左右, 在无激光输出时则占95%以上, 这是因为猝灭涉及的跃迁能级的能级差较大, 且所占热源区域较宽, 能在更大的范围内产生热量, 因此猝灭在温度计算中非常重要, 不可忽略.

准分子宽带抽运钠金属激光器具有实现钠信标光源的潜质, 该激光器在运转过程中需要借助准分子将钠原子由基态转换为激发态, 因此有必要对由准分子解离产生的钠原子激发态荧光寿命开展实验研究。采用不同波长的蓝翼抽运光对不同温度的钠乙烷准分子体系进行激发, 分别测量钠D1线和钠D2线的荧光寿命。结果表明, 32P3/2与32P1/2能级的荧光寿命明显长于其自然寿命, 且激发波长越长, 荧光寿命延长得越明显。辐射捕获效应是导致荧光寿命延长的另一个因素。随着泵浦单光子能量下降, 钠乙烷准分子被激发到A2Π3/2态的概率变大, 能够长时间产生激发态钠原子, 这也会使荧光寿命延长。与钠D1线相比, 钠乙烷准分子体系钠D2线的放大自发辐射信号的可放大性更好。更好的可放大性以及较长的荧光寿命使得钠D2线激光更易于实现。

大功率激光器在工业与**等领域有着广泛的应用, 是现代激光材料加工、激光再制造、**安全领域中必不可少的核心组件。随着激光技术的发展, 大功率激光器的性能也在不断提高, 许多新型激光器相继问世。相比于传统的灯抽运激光器, 半导体激光器具有体积小、效率高、质量轻、寿命长、成本低等诸多优点,在国民经济的许多方面起着越来越重要的作用。随着大功率半导体激光器的不断发展, 由其抽运的全固态和非全固态激光器的发展也十分迅速。综述了半导体激光器以及全固态和非全固态半导体抽运激光器的历史和进展, 并就提升大功率半导体激光器各方面性能做了相关介绍, 分析评述了大功率激光器的发展趋势, 并展望了大功率激光器在未来智能制造中的应用前景。

由于半导体激光泵浦碱金属蒸气激光器(DPAL)的饱和增益较大, 因此采用主振荡功率放大器(MOPA)结构对其进行定标放大是实现其高功率化的理想选择。基于端面泵浦DPAL-MOPA系统的微观动力学理论模型设计了铷蒸气DPAL的三级放大系统。另外, 分别对长度为3、5、7 cm的三种密闭蒸气池在不同温度条件下的增益特性做了详细的计算与分析, 最终确定预放大级的密闭蒸气池长度为3 cm, 一级主放大级的为5 cm, 二级主放大级的为7 cm。基于这种三级MOPA结构可把功率为50 mW的铷蒸气DPAL种子光放大至1 000 W量级。同时, 也评估了采用此设计方案时, 整个MOPA系统所产生的自发辐射功率和热功率。该研究对将来实现高功率DPAL提供了设计思路和理论依据。

为了获得高效半导体抽运碱金属蒸气激光器，采用布儒斯特角结构的增益池，有效地提高了激光的单程透射率，p偏振的激光单程透射率达到97%。采用长度为1 cm 的增益池，其内填充碱金属铷蒸气作为增益介质和压强为79.99 kPa的甲烷作为缓冲气体。采用中心波长为780 nm，线宽为0.1 nm，功率为48 W 连续输出的半导体激光器作为抽运源。为了降低增益池内的热效应，采用斩波器将抽运光转化成脉冲形式输出，脉冲宽度为1.85 ms，重复频率为15 Hz，占空比2.77%。采用12 cm 的平凹谐振腔，利用输出耦合率分别为41%、58%、76%的输出镜进行了优化实验。在增益池温度为160 ℃时，采用输出耦合率为76%的输出镜，获得了峰值功率最高为16.8 W 的中心波长为795 nm 的铷激光输出，光-光转换效率为35%，斜率效率为44.2%。