半导体泵浦射频连续放电氩原子气体激光器的研究

半导体泵浦稀有气体激光器通过半导体激光泵浦放电惰性混合气体，实现近红外激光输出。该激光器将半导体激光泵浦与气体激光器的优势相结合，被视为碱金属蒸气激光器的潜在替代方案，可以有效防止碱金属激光器镜片污染问题，具有量子效率高、适合大气传输、光束质量好等优点，在大规模工业生产应用、太空能量传输和未来高能激光武器等领域具有重要应用价值。 本项目提出了电光“两级泵浦”模型，提出了更为完善的五能级结构半导体泵浦稀有气体激光器动力学模型，建立连续稳定运行时的泵浦方程与激光输出方程。针对连续混合气体放电、工作介质密度与放电参量的关系展开了研究，结果表明，增大约化电场强度和氩气摩尔分数可以有效增大工作介质密度，实现了对于高效获得高密度工作介质的有效预测。分析了各项系统参量对于总效率影响，这些参量包含泵浦光强、气体组分、约化电场强度、工作介质长度、混合气体气压、输出耦合镜对于激光波长的反射率，通过对各能级粒子产生与损耗的动态平衡过程展开了讨论，表明两级泵浦过程与非激光损耗之间存在相互平衡与竞争，最终导致了上述参量均存在最佳值。针对稀有气体吸收谱线、辐射谱线、能级跃迁以及能级展宽机制展开研究，并以此为基础设计了基于端面泵浦和侧面泵浦的多程泵浦结构，有效提高泵浦效率。针对目前国际上采用单腔端泵DPRGLs难以获得高功率输出的问题，开展了基于MOPA结构放大方案的研究，通过向放大器内注入种子激光，实现高功率和高放大倍率的激光输出。通过对各项参数展开优化设计，得到了功率为100 kW的连续DPRGLs激光输出，其总效率为51.5%，光光转换效率为62.5%，该研究方案对于实现满足工业需求和国防需求的高功率、高总效率的DPRGLs系统具有重要意义。

半导体泵浦稀有气体激光器以放电气体作为工作介质通过半导体激光泵浦实现激光输出，可有效防止高功率固态激光的非线性效应，具有激光功率高、光束质量好、量子效率高、良好大气传输特性等优点，是未来高能激光武器、超短脉冲激光大规模工业应用等领域的重要的潜在光源。本项目拟用扩散冷却平板射频放电激励方式，实现较高气压下的连续放电，建立RF放电产生亚稳态稀有气体原子的机理模型，通过调节不同辅助气体、放电结构、放电参数等方式，高效率地获得亚稳态原子的高浓度分布并能进行较为精准的控制；测定放电稀有气体吸收、辐射谱线，研究半导体泵浦放电稀有气体的能级跃迁机理；探索亚稳态氩原子的产生、跃迁和消耗的动态平衡过程，建立两级泵浦匹配的半导体泵浦连续放电稀有气体激光器的动力学模型；构建具有创新结构的高效率的半导体泵浦连续放电稀有气体激光器，获得10瓦以上的连续激光输出，为今后更高功率的连续/脉冲激光器的研发奠定物理基础。

半导体泵浦固体激光器的种类很多，可以是连续的、脉冲的、调Q的，以及加倍频混频等非线性转换的。工作物质的形状有圆柱和板条状的。而泵浦的耦合方式可分为端面泵浦和侧面泵浦，其中端面泵浦又可分为直接端面泵浦和光纤耦合端面泵浦两种结构。

1、端面泵浦固体激光器

端面泵浦方式最大的优点就是容易获得好的光束质量，可以实现高亮度的固体激光器。端面泵浦的效率较高。这是因为,在泵浦激光模式不太差的情况下，泵浦光都能由会聚光学系统耦合到工作物质中，耦合损失较少；另一方面，泵浦光也有一定的模式，而产生的振荡光的模式与泵浦光模式有密切关系，匹配的效果好，因此，工作物质对泵浦光的利用率也相对高一些。

正是由于端面泵浦方式效率高、模式匹配好、波长匹配的优点在国际上发展极为迅速，已成为激光学科的重点发展方向之一。它在激光打标、激光微加工、激光印刷、激光显示技术、激光医学和科研等领域都有广泛的用途，具有很大的市场潜力。

2、侧面泵浦固体激光器

侧面泵浦（Side Pump）固态激光器激光头是由三个二极管泵浦模块围成一圈组成泵浦源，每个泵浦模块又由3个带微透镜的二极管线阵组成。每个线阵的输出功率平均为20W输出波长为808nm。该装置采用玻璃管巧妙地设计了泵浦腔和制冷通道。玻璃管的表面大部分镀有808nm的高反膜，剩余的部分呈120°镀有三条808nm增透膜，这样便形成了一个泵浦腔。半导体泵浦源发出的光经过三对光束整形透镜会聚到这三条镀增透膜的狭长区域内，然后透过玻璃管的管壁，被晶体吸收。由于玻璃管大部分区域镀有高反膜，使得泵浦光进入泵浦腔以后，便在其中来回的反射，直至被晶体充分地吸收，而且在晶体的横截面上形成了均匀的增益分布。

同时玻璃管还能用于制冷，高速通过的冷却水将产生的热量迅速带走。晶体采用的是一根复合结构的Nd:YAG棒，有效尺寸为j3*63mm，掺杂浓度为1.5at.%.当泵浦光功率为180W时，得到了72W的激光输出。光光转换效率高达40%。

半导体泵浦固体激光（英语：Diode Pump Solid State Laser，DPSS Laser），是一种新型激光器，应用层面比较广，近年在国际上发展很快。

半导体泵浦固体激光的激光器利用半导体激光器输出固定波长的激光作为泵浦源，替代了以往用氪灯或氙灯泵浦激光晶体，并且它们通常出现在绿色和其他颜色等的激光笔中。

半导体泵浦固体激光器的发展与半导体激光器的发展是密不可分的。1962年，第一只同质结砷化镓半导体激光器问世，1963年，美国人纽曼就首次提出了用半导体做为固体激光器的泵浦源的构想。但在早期，由于二极管的各项性能还很差，作为固体激光器的泵浦源还显得不成熟。直到1978年量子阱半导体激光器概念的提出，以及八十年代初期MOCVD 技术的使用及应变量子阱激光器的出现，使得半导体泵浦固体激光器的发展步上了一个崭新的台阶。在进入九十年代以来，大功率的半导体泵浦固体激光器及半导体泵浦固体激光器列阵技术也逐步成熟，从而，大大促进了半导体泵浦固体激光器的研究。

国内半导体泵浦固体激光器市场化水平已经达到数百瓦，实验室水平已经达到千瓦级。在应用上，大功率半导体泵浦固体激光器以材料加工为主，包括了常规的激光加工：主要是材料加工，如激光标记、激光焊接、激光切割和打孔等，结构紧凑、性能良好、工作可靠的大功率半导体泵浦固体激光打标机产品系列已经在国内得到了规模应用，在国外，千瓦级的半导体泵浦固体激光器已有产品，德国、美国汽车焊接就已经用到了千瓦级半导体泵浦固体激光焊剂机，在原理和技术方案上半导体泵浦固体激光器定标到万瓦都是可行的，主要受限于成本和市场需求的限制。二倍频半导体泵浦固体激光器在微电子行业、三倍频半导体泵浦固体激光器在激光快速成型领域都得到了广泛应用。

除材料加工外，大功率半导体泵浦固体激光器还可以用于同位素分离（二倍频、绿光）、激光核聚变、科学研究、医疗、检测、分析、通讯、投影显示以及军事国防等领域，具有极其重要的应用价值。