CN108039641A - 一种双波长双调制的碱金属蒸气激光器 - Google Patents

一种双波长双调制的碱金属蒸气激光器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了双波长双调制的碱金属蒸气激光器，包括两个密闭碱金属蒸气池、两个温控器、两个窄线宽半导体泵浦激光器、光学谐振腔和泵浦耦合器件。各密闭碱金属蒸气池内充入一种固态或液态碱金属介质和预设压强的缓冲气体；各组温控器分别布置在各碱金属蒸气池外部，分别控制各密闭碱金属蒸气池的工作温度；各窄线宽半导体泵浦激光器置于对应碱金属蒸气池两端或侧面；泵浦耦合器件用于将两束泵浦光同时耦合进各碱金属蒸气池内；光学谐振腔包括全反镜和输出耦合镜，两个碱金属蒸气池均位于光学谐振腔内部，当各碱金属蒸气池内的碱金属介质受到相应泵浦光激励后辐射出不同波长的受激光子，光子在光学谐振腔内来回振荡，形成双波长的激光输出。

Description

一种双波长双调制的碱金属蒸气激光器
技术领域
本发明属于碱金属蒸气激光器技术领域，涉及一种双波长双调制的碱金属蒸气激光器。
背景技术
过去十几年，半导体泵浦碱金属蒸气激光器(Diode-Pumped Alkali Laser,DPAL)获得了广泛关注和迅速发展。其主要原因是DPAL兼具了固体和气体激光器的优势，并具有许多突出优点，例如：斯托克斯效率高，废热沉积少；气体介质循环流动，散热性好；气体介质无毒，易于管理操作；光束质量好；近红外光谱，大气透过性好；结构紧凑、体积小、重量轻、易于集成，且环境适应能力强等。这些优点使得DPAL成为一种有着巨大的发展潜力的新颖激光器，并在科学研究、航空航天、工业、医疗卫生和军事等领域具有巨大的应用价值。尤其在军事应用上，DPAL有希望在激光测距、激光雷达、激光通讯和光电对抗等领域发挥重要作用。近年，它已经成为国外相关研究机构重点发展的最有潜力的下一代高功率激光系统之一。2010年，DPAL被美国军方作为兆瓦级高能激光的首选方案；2012年，DPAL被美国纳入其弹道导弹防御规划项目。
DPAL是以碱金属原子(主要为钾、铷和铯)的饱和蒸气作为工作物质的一种激光器。各种碱金属原子具有相似的三能级结构，其最外层价电子可通过能级跃迁来实现激光发射。当受到泵浦光激励时，处于基态n2S1/2的电子通过受激吸收泵浦能量而跃迁至激发态n2P3/2，并弛豫至亚稳态n2P1/2，当n2P1/2能级上的电子和n2S1/2能级上的电子形成粒子数反转，则将产生n2P1/2能级至n2S1/2能级的受激辐射跃迁。在激光发射过程中，需要添加一些缓冲气体用于加快碱金属原子精细结构能级间弛豫速率或展宽碱金属原子吸收谱线宽度。缓冲气体通常包括甲烷、乙烷和丙烷等单独的气体，或是这些气体与氦气组成的混合气体。
随着激光技术的广泛应用，双波长激光器在光通讯、光计算、精细激光光谱、干涉彩虹全息、激光彩色打印、光动力学医疗、环境监测、光电对抗、激光雷达和激光遥感等重要领域越来越成为一种迫切需求。目前，传统的双波长固体激光器种类很多，但都存在着不同程度的缺陷，一般说来，很难使用同一谐振腔同时输出两种调制方式的双波长激光。相反，DPAL以碱金属饱和蒸气作为增益介质，当两种不同的碱金属介质处于同一谐振腔内时，在受到不同泵浦光作用条件下，所产生的两种波长的激光是相互独立的。因此，我们可通过分别双波长分别以连续和脉冲、或调制方式不一致的脉冲与脉冲同时输出的两个泵浦源同时泵浦同一个谐振腔内的两种不同碱金属蒸气，来实现以不同调制方式输出的双波长激光。
综上所述，碱金属蒸气激光器以碱金属蒸气作为增益介质，具有许多突出优势，尤其在实现双波长、双调制的高功率激光光源领域具有巨大的发展潜力。在本发明中，我们提出了一种可实现双波长分别以连续与脉冲同时输出、或调制方式不一致的脉冲与脉冲同时输出的碱金属蒸气激光器。
发明内容
(一)发明目的
本发明的目的是：针对传统固体激光器难以实现双波长双调制激光输出的缺陷，利用DPAL的独特优势解决这一激光技术领域的难题，设计出一种通过输出时间特性不同的两个泵浦源控制DPAL时域输出特性的双波长双调制碱金属蒸气激光器。
(二)技术方案
这种激光器结构的核心是两个分别以连续与脉冲激光输出、或调制方式不一致的脉冲与脉冲输出的波长不同的泵浦源和两个碱金属蒸气池，并以此为基础来实现双波长连续与脉冲碱金属激光的同时输出、或调制方式不一致的脉冲与脉冲碱金属激光的同时输出。
本发明提供了一种双波长双调制的碱金属蒸气激光器，该激光器由两个密闭碱金属蒸气池、两个温控器、两个窄线宽半导体泵浦激光器、一个光学谐振腔和一系列泵浦耦合器件组成。
各密闭碱金属蒸气池内事先充入一种固态或液态碱金属介质和预设压强的缓冲气体；
各组温控器分别布置在各碱金属蒸气池外部，用于分别控制各密闭碱金属蒸气池的工作温度；
各窄线宽半导体泵浦激光器置于对应碱金属蒸气池两端或侧面；
泵浦耦合器件包括聚焦透镜、或偏振分光棱镜、或双波长合束器组成，用于将两束泵浦光同时耦合进各碱金属蒸气池内；
光学谐振腔由一个全反镜和一个输出耦合镜组成，两个碱金属蒸气池均位于光学谐振腔的内部，当各碱金属蒸气池内的碱金属介质受到相应泵浦光激励后即可辐射出不同波长的受激光子，这些光子在光学谐振腔内来回振荡，可形成双波长的激光输出。
进一步的，两个碱金属蒸气池内的碱金属介质可以是钾(K)，或铷(Rb)，或铯(Cs)，且两个蒸气池内的碱金属介质各不相同。
进一步的，两个碱金属蒸气池内充入的缓冲气体为甲烷、或乙烷、或丙烷等大分子碳氢化合物气体，或是上述一种气体与氦气所组成的混合气体。缓冲气体主要用于展宽碱金属原子泵浦吸收谱的线宽或加快碱金属原子精细结构能级间的弛豫速率。
进一步的，各组温控器均由加热器、温度传感器和控制系统组成。
进一步的，各组温控器的加热器分别紧密设置在各碱金属蒸气池管腔外部，且各加热器上开设有可供泵浦光透射的入口。一般来说，为了使碱金属蒸气池尽可能均匀受热，通常都采用环状加热器。
进一步的，各窄线宽半导体泵浦激光器输出的激光从碱金属蒸气池的端面或侧面入口进入后实施泵浦，其中，端面泵浦方式又可分为双端泵浦或是单端泵浦的方式。
进一步的，两个窄线宽半导体泵浦激光器的时域输出类型分别为连续与脉冲输出，或为调制方式不一致的脉冲与脉冲输出。
进一步的，窄线宽半导体泵浦激光器的输出激光中心波长与对应碱金属蒸气池内碱金属介质的泵浦吸收波长相对应。
进一步的，聚焦透镜、或偏振分光棱镜、或双波长激光合束器的数量按需要决定。
进一步的，光学谐振腔为直线型、或L型、或U型谐振腔。
(三)有益效果
上述技术方案所提供的双波长双调制的碱金属蒸气激光器，具有以下有益效果：
(1)窄线宽半导体泵浦激光器的时域输出特性决定了碱金属蒸气激光器的时域输出特性。因此，通过调制窄线宽半导体泵浦激光器的时域输出特性，可实现碱金属蒸气激光器的时域特性为连续与脉冲输出，或为调制方式不一致的脉冲与脉冲输出，从而解决了固体激光器很难实现双波长双调制输出的固有缺陷。此外，还可分别调制两个窄线宽半导体泵浦激光器的输出时域特性(脉冲宽度、脉冲起始时间、重复频率、脉冲形状等)，从而达到控制碱金属激光器各波长激光时域输出特性的作用。
(2)通过不同种碱金属介质的组合，如，铷(Rb)—铯(Cs)、铷(Rb)—钾(K)和铯(Cs)—钾(K)来实现不同波长组合的双波长激光输出。
(3)所提出的激光器工艺简单、防干扰性强，为构建双波长双调制激光系统提供了新的思路。
附图说明
图1是碱金属原子能级结构示意图。
图2是具有U型谐振腔结构的双端泵浦双波长双调制的铷—铯碱金属蒸气激光器的原理示意图。
图3是时域输出类型分别为连续与脉冲的两个窄线宽半导体泵浦激光器的时间特性。
图4是时域输出类型分别为脉冲与连续的两个窄线宽半导体泵浦激光器的时间特性。
图5是时域输出类型为调制方式不一致的脉冲与脉冲的两个窄线宽半导体泵浦激光器的时间特性。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
以图1和图2为例，一种双端泵浦的铷—铯双波长双调制的碱金属蒸气激光器，其包括铷碱金属蒸气池7和铯碱金属蒸气池8，第一温控器13和第二温控器14，第一窄线宽半导体泵浦激光器1和第二窄线宽半导体泵浦激光器2，第一聚焦透镜3、第二聚焦透镜4、第一偏振分光棱镜5和第二偏振分光棱镜6，输出耦合镜15和全反镜16。
铷碱金属蒸气池7内充有固态或液态铷介质9和预设压强的第一缓冲气体11，铯碱金属蒸气池8内充有固态或液态铯介质10和预设压强的第二缓冲气体12，第一缓冲气体11和第二缓冲气体12为甲烷、乙烷、丙烷等单独的气体，或是这些气体与氦气组成的混合气体。缓冲气体的作用是展宽铷原子和铯原子泵浦吸收谱的线宽或加快其精细结构能级间粒子的弛豫速率。
第一温控器13设置在铷碱金属蒸气池7的外部，用于控制铷碱金属蒸气池7内的工作温度，第二温控器14设置在铯碱金属蒸气池8的外部，用于控制铯碱金属蒸气池8内的工作温度。
第一窄线宽半导体泵浦激光器1和第二窄线宽半导体泵浦激光器2分别以连续与脉冲方式输出(图3)、或以脉冲与连续方式输出(图4)、或以调制方式不一致的脉冲与脉冲输出(图5)。其中，第一窄线宽半导体泵浦激光器1的输出激光中心波长约为780nm，这与铷介质9的泵浦吸收中心波长相对应，而第二窄线宽半导体泵浦激光器2的输出激光中心波长约为852nm，这与铯介质10的泵浦吸收中心波长相对应。
第一聚焦透镜3和第一偏振分光棱镜5将第一窄线宽半导体泵浦激光器1输出的激光耦合进入铷碱金属蒸气池7内；第二聚焦透镜4和第二偏振分光棱镜6将第二窄线宽半导体泵浦激光器2输出的激光耦合进入铯碱金属蒸气池8内。
工作时，第一窄线宽半导体泵浦激光器1发出的波长约为780nm泵浦光经第一聚焦透镜3和第一偏振分光棱镜5后，进入铷碱金属蒸气池7内，此时铷介质9受到该泵浦光的激励，产生波长约为795nm的受激光子；同时，第二窄线宽半导体泵浦激光器2发出的波长约为852nm的泵浦光经第二聚焦透镜4和第二偏振分光棱镜6后，进入铯碱金属蒸气池8内，此时铯介质10受到该泵浦光的激励，产生波长约为895nm的受激光子。这些受激光子同时在谐振腔内来回振荡，形成波长约为795nm的铷激光以及波长约为895nm的铯激光同时输出，输出后的铷激光经第一偏振分光棱镜5反射后由输出耦合镜15输出，输出后的铯激光经第二偏振分光棱镜6反射后入射至全反镜16。
由以上技术方案可以看出，本发明具有以下显著特点：
(1)两个窄线宽半导体泵浦激光器，其时域上分别以连续激光与脉冲激光输出、或以调制方式不一致的脉冲与脉冲激光输出。通过泵浦源的时域输出方式来控制碱金属蒸气激光器的输出方式，可实现固体激光器中难以实现的双波长双调制激光的同时输出。
(2)同一个谐振腔内两个独立的碱金属蒸气池。两种不同的碱金属介质分别填充在两个不同的蒸气池中，避免了不同种碱金属原子间可能存在的碰撞能量损耗。其次，当这些蒸气池内的碱金属蒸气受到相应的连续或脉冲泵浦光激励时，可产生不同波长的受激光子，这些光子在同一个谐振腔内来回振荡，可同时获得双波长激光输出。此外，碱金属蒸气池内充入不同的碱金属介质，如，铷(Rb)—铯(Cs)、或铷(Rb)—钾(K)、或铯(Cs)—钾(K)，可实现不同波长组合的双波长双调制激光输出。
(3)可采用多种泵浦方式和谐振腔结构。
综上，此类碱金属蒸气激光器的结构可实现时域上连续与脉冲激光的同时输出、或调制方式不一致的脉冲与脉冲激光的同时输出；同时，两种输出波长的激光输出时域特性(脉冲宽度、脉冲起始时间、重复频率、脉冲形状等)可分别调制，具有较好的可控性。
此类碱金属蒸气激光器结构可实现不同的波长组合的双波长激光输出，因此，具有较好的灵活性。
此类碱金属蒸气激光器结构工艺简单，防干扰性强，解决了固体激光器中难以实现的双波长双调制输出的技术局限，在未来的科学研究、工业加工和国防等领域中都有着重要的应用价值。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种双波长双调制的碱金属蒸气激光器，其特征在于，包括：第一密闭碱金属蒸气池、第二密闭碱金属蒸气池、第一温控器、第二温控器、第一窄线宽半导体泵浦激光器、第二窄线宽半导体泵浦激光器、光学谐振腔、第一泵浦耦合器件、第二泵浦耦合器件；第一密闭碱金属蒸气池和第二密闭碱金属蒸气池内分别充入不同的固态或液态碱金属介质和预设压强的缓冲气体；第一温控器、第二温控器分别对应布置在第一密闭碱金属蒸气池、第二密闭碱金属蒸气池外部，用于控制对应的密闭碱金属蒸气池的工作温度；第一窄线宽半导体泵浦激光器置于第一密闭碱金属蒸气池外侧，第二窄线宽半导体泵浦激光器置于第二密闭碱金属蒸气池外侧；第一泵浦耦合器件和第二泵浦耦合器件分别用于将第一窄线宽半导体泵浦激光器、第二窄线宽半导体泵浦激光器发出的泵浦光同时耦合进对应的碱金属蒸气池内；光学谐振腔由一个全反镜和一个输出耦合镜组成，两个碱金属蒸气池均位于光学谐振腔的内部，当各碱金属蒸气池内的碱金属介质受到相应泵浦光激励后即可辐射出不同波长的受激光子，这些光子在光学谐振腔内来回振荡，形成双波长的激光输出。
2.如权利要求1所述的双波长双调制的碱金属蒸气激光器，其特征在于，所述第一密闭碱金属蒸气池、第二密闭碱金属蒸气池内的碱金属介质是钾、铷、铯中的一种，且两个蒸气池内的碱金属介质各不相同。
3.如权利要求1所述的双波长双调制的碱金属蒸气激光器，其特征在于，所述第一密闭碱金属蒸气池、第二密闭碱金属蒸气池内充入的缓冲气体为甲烷、或乙烷、或丙烷，或是上述一种气体与氦气所组成的混合气体。
4.如权利要求1所述的双波长双调制的碱金属蒸气激光器，其特征在于，所述第一温控器、第二温控器均由加热器、温度传感器和控制系统组成。
5.如权利要求4所述的双波长双调制的碱金属蒸气激光器，其特征在于，所述第一温控器、第二温控器的加热器分别紧密设置在对应碱金属蒸气池管腔外部，且各加热器上开设有可供泵浦光透射的入口。
6.如权利要求5所述的双波长双调制的碱金属蒸气激光器，其特征在于，所述第一温控器、第二温控器的加热器均采用环状加热器。
7.如权利要求1所述的双波长双调制的碱金属蒸气激光器，其特征在于，所述第一窄线宽半导体泵浦激光器、第二窄线宽半导体泵浦激光器的时域输出类型分别为连续与脉冲输出，或为调制方式不一致的脉冲与脉冲输出。
8.如权利要求1所述的双波长双调制的碱金属蒸气激光器，其特征在于，所述第一窄线宽半导体泵浦激光器、第二窄线宽半导体泵浦激光器的输出激光中心波长与对应碱金属蒸气池内碱金属介质的泵浦吸收波长相对应。
9.如权利要求1所述的双波长双调制的碱金属蒸气激光器，其特征在于，所述第一泵浦耦合器件、第二泵浦耦合器件包括聚焦透镜、或偏振分光棱镜、或双波长合束器；聚焦透镜、或偏振分光棱镜、或双波长激光合束器的数量按需要决定。
10.如权利要求1所述的双波长双调制的碱金属蒸气激光器，其特征在于，所述光学谐振腔为直线型、或L型、或U型谐振腔。
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