解决脉冲染料激光的线宽问题

封面文章|张乔枫,谢锦林,范费彬,桑龙龙,丁卫星,陆全明. 脉冲染料激光的线宽压缩与测量[J]. 中国激光, 2019, 46(4): 0404002

离子速度分布函数的精确无扰动测量一直以来是低温等离子体诊断中的难点。激光诱导荧光(LIF)诊断采用极窄线宽的可调谐连续激光器对特定速度区间的离子进行主动“标记”,测量荧光强度随激光中心频率的变化关系,从而实现离子速度分布函数的高空间分辨、无扰动的精细测量。

脉冲染料激光器具有波长调谐范围宽、功率高、脉冲重复频率高等优势,已广泛应用于原子分子物理、生物及化学等科研领域。但其激光线宽较宽,难以承担更为精细的光谱测量。在等离子体诊断领域,脉冲染料激光器常用于平面激光诱导荧光(PLIF)诊断中。经一维扩束后的激光束入射到等离子体中,对截面上的荧光进行二维成像。由于激光线宽较宽,离子在速度空间中被无选择的“标记”,二维荧光强度分布对应于离子密度分布。PLIF可提供高时间分辨的离子密度剖面演化。


图1 激光线宽经平行平面腔压缩前后对比

中国科学技术大学先进等离子体诊断技术课题组通过在脉冲染料激光器输出后端外加自制平面平行腔外腔系统,实现了激光线宽的压缩及优化调节,并依托该套系统成功测量了氧化物阴极放电等离子体中的离子速度分布函数。

利用法布里珀罗干涉仪逐点慢扫描法,分别对压缩前后的脉冲染料激光线宽进行测量,如图1所示。结果表明,该平行平面腔将线宽由4GHz压窄至340MHz,已满足精细测量低温等离子体中离子速度分布的线宽需求。外加的自制平面平行腔系统实现了一个量级的线宽压缩效果。系统成功应用于氧化物阴极放电中氩等离子体的离子速度分布函数测量,测量结果如图2所示。相较于未压缩激光的测量结果,激光线宽压缩后的离子分布函数测量精度显著提高,速度分辨达200 m/s, 已接近连续染料激光器或半导体激光器的测量精度。


图2 激光诱导荧光诊断测量结果:(a)染料激光器激光(4GHz);(b)压窄后的激光(340MHz)

通过外加平面平行腔压缩激光线宽这一手段,不仅可获得足够窄的激光线宽实现精细光谱测量,还极大地保留了脉冲染料激光器的原有优势。

基于同一脉冲染料激光器,该课题组正继续开展PLIF诊断系统研制,有望用同一套激光系统分别实现离子速度分布精细测量及等离子体密度剖面测量。该套激光诱导荧光诊断的成功应用,无疑极大拓宽脉冲染料激光器在精细光谱测量领域的潜在应用范围。