CN116264370A - 一种多波长输出双循环光泵浦Xe激光器 - Google Patents

一种多波长输出双循环光泵浦Xe激光器 Download PDF

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郭敬为
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Abstract

本发明提供一种多波长输出双循环光泵浦Xe激光器，将气体放电产生的亚稳态Kr作为能量源，通过与基态Xe碰撞进行传能，实现Xe体系内反转；同时利用882nm和828nm两束激光作为泵浦源，维持Xe体系粒子数反转，并输出多个激光波长。该发明充分利用缓冲气体Kr的作用，在实现加速能级间碰撞弛豫过程的同时，也起到共振传能的作用；该方法有效提高Xe一次放电粒子的利用率，进而提高光泵浦惰性气体亚稳态激光的效率，实现一次电泵浦，多次光循环。

Description

一种多波长输出双循环光泵浦Xe激光器
技术领域
本发明涉及激光技术和惰性气体放电技术领域，尤其涉及激光与放电介质相互作用，产生高效率的光泵浦惰性气体激光。具体来说，涉及一种多波长输出双循环光泵浦Xe激光器。
背景技术
光泵浦惰性气体亚稳态激光以其量子效率高、光束质量好以及惰性增益介质等优点，逐渐得到人们的广泛关注。该激光体系主要以Ar、Kr、Xe等原子作为增益介质，运行方式首先通过放电的产生大量的第一激发态粒子s[3/2]2，由于该能级向基态跃迁禁阻且碰撞消激发较弱，因此寿命较长，顾命名为亚稳态。随后，采用近红外激光对其进行激发至p[5/2]3能级，通过加入缓冲气体(通常为He)进行碰撞转移，激发态粒子快速由泵浦上能级转移至激光上能级p[1/2]1，实现粒子数反转并输出激光。稀有气体激光体系示意图如图1所示。
通过图1可以发现，在实现泵浦循环的过程中，输出激光的同时，激光上能级也会向s[3/2]1能级辐射，且该能级会进一步向基态紫外辐射转移粒子，从而造成粒子的损耗，导致整体效率不高。
发明内容
根据上述提出的泵浦循环过程中由于粒子损耗导致整体效率低的技术问题，而提供一种多波长输出双循环光泵浦Xe激光器。本发明通过双循环泵浦，将s[3/2]1进行泵浦循环，从本质上可以极大的降低粒子的浪费，从而实现高效的激光输出。
本发明采用的技术手段如下：
一种多波长输出双循环光泵浦Xe激光器，包括：
第一泵浦激光光源和第二泵浦激光光源、二向色镜、全反射镜、输出耦合镜、混合气体放电装置以及气体池，所述气体池用于盛装Kr和Xe的混合气体，其设置在所述输出耦合镜和全反射镜之间；
所述第一泵浦激光光源和第二泵浦激光光源中的一个用于发射波长为828nm的泵浦激光，另一个用于发射波长为882nm的泵浦激光；
所述多波长输出双循环光泵浦Xe激光器的激励方式为：
采用放电的手段对所述混合气体进行激发，放电产生位于5s[3/2]2能级的Kr粒子和位于能级6s[3/2]2的Xe粒子，所述位于5s[3/2]2能级的Kr粒子和基态Xe碰撞通过近共振传能产生位于6p[1/2]0和5d[1/2]1能级的Xe粒子，其中位于5d[1/2]1的粒子Xe作为激光上能级，与作为激光下能级的、位于6p[1/2]1能级的Xe粒子实现粒子数反转，输出3680nm激光；
同时采用882nm和828nm的激光对放电产生的激发态Xe进行泵浦，其中采用828nm激光泵浦位于能级6s[3/2]1的Xe粒子至位于能级6p[1/2]0的Xe粒子，经过缓冲气体Kr碰撞弛豫，将位于能级6p[1/2]0的Xe粒子弛豫至位于能级5d[1/2]1的Xe粒子，并以位于能级5d[1/2]1的Xe粒子作为激光上能级，位于能级6p[1/2]1Xe粒子作为下能级，产生3680nm激光，再利用产生的、位于6p[1/2]1能级的Xe粒子作为上能级，以位于6s[3/2]1能级的Xe粒子作为下能级，实现1084nm激光输出；以位于6p[1/2]1能级的Xe粒子作为上能级，以位于能级6s[3/2]2的Xe粒子作为下能级，实现980nm激光输出；
采用882nm激光泵浦位于能级6s[3/2]2的Xe粒子至位于能级6p[5/2]3的Xe粒子，经过缓冲气体Kr实现位于能级6p[5/2]3的Xe粒子碰撞弛豫至位于能级6p[5/2]2的Xe粒子，以位于能级6p[5/2]2的Xe粒子作为激光上能级，以位于能级6s[3/2]1的Xe粒子作为下能级，实现992nm激光输出；以位于能级6p[5/2]2的Xe粒子作为激光上能级，以位于能级6s[3/2]2的Xe粒子为下能级，实现904nm激光输出；
采用828nm激光泵浦位于能级6s[3/2]1的Xe粒子至位于能级6p[1/2]0的Xe粒子，882nm激光泵浦位于能级6s[3/2]2的Xe粒子至位于能级6p[5/2]3的Xe粒子，将激光下能级粒子泵浦到激光上能级，维持粒子数反转状态，实现激光长时间稳定输出。
进一步地，增益介质采用Kr和Xe的总压强在50-760Torr，Kr和Xe的分压比为1:2-10:1。
进一步地，激光器的激光输出谱线包括：
以5d[1/2]1作为上能级、以6p[1/2]1作为下能级的3680nm激光；
以6p[1/2]1作为上能级、以6s[3/2]2作为下能级的980nm激光；
以6p[1/2]1作为上能级、以6s[3/2]1作为下能级的1084nm激光；
以6p[5/2]2作为上能级、以6s[3/2]2作为下能级的904nm激光；
以6p[5/2]2作为上能级、以6s[3/2]1作为下能级的992nm激光。
进一步地，激光器输出激光的波长通过调整输出耦合镜和反射镜的薄膜选择。
进一步地，通过调整828nm泵浦激光和882nm的泵浦激光的能量，对各波长输出激光能量比例进行调控。
进一步地，所述混合气体放电装置(106)为射频放电装置或者高压脉冲放电源。
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明通过双循环泵浦，以及Kr-Xe体系的特殊能级结构，将s[3/2]1进行泵浦循环，从本质上可以极大的降低粒子的浪费；通过Kr-Xe体系的特殊能级结构，实现缓冲气体Kr亚稳态的充分利用，从而实现高效的多波长激光输出。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为光泵浦稀有气体激光器的工作方式示意图，图中：1-放电过程，2-激光泵浦过程，3-碰撞弛豫过程，4-输出激光过程，5-损耗辐射过程，6-损耗紫外辐射过程。
图2为本发明多波长双循环光泵浦Xe激光器的工作方式示意图，图中：1-放电过程，2、3、4-碰撞弛豫过程，5-828nm泵浦激光光源，6-882nm泵浦激光光源，7-3680nm激光，8-980nm激光，9-1084nm激光，10-904nm激光，11-992nm激光。
图3为本发明射频放电多波长双循环光泵浦Xe激光器的工作方式示意图，图中：101-828nm泵浦激光光源，102-882nm泵浦激光光源，103-二向色镜，104-全反射镜，105-输出耦合镜，106-混合气体射频放电装置，107-盛有混合气体的气体池。
图4位本发明高压脉冲放电多波长双循环光泵浦Xe激光器的工作方式示意图，图中：101-828nm泵浦激发光源，102-882nm泵浦激发光源，103-二向色镜，104-全反射镜，105-输出耦合镜，106-混合气体高压脉冲放电装置，107-盛有混合气体的气体池。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图3所示，本发明提供了一种多波长输出双循环光泵浦Xe激光器，包括两个泵浦激光光源、混合气体放电装置、输出耦合镜、激光增益介质和反射镜。其中激光增益介质设置在输出耦合镜和反射镜之间，激光介质采用Kr和Xe的混合气体，多波长输出双循环光泵浦Xe激光器的激励方式为放电激励混合气体，同时利用一束波长为828nm的激光和一束波长为882nm的激光泵浦激光介质Xe。
进一步地，采用放电的手段对混合气体进行激发，放电产生Kr(5s[3/2]2)和Xe(6s[3/2]2)粒子，Kr(5s[3/2]2)和基态Xe碰撞通过近共振传能产生Xe(6p[1/2]0和5d[1/2]1)，Xe(5d[1/2]1)作为激光上能级，可与作为激光下能级的Xe(6p[1/2]1)实现粒子数反转，输出3680nm激光。
同时采用882nm、828nm的激光对放电产生的激发态Xe进行泵浦；其中828nm激光泵浦Xe(6s[3/2]1)至Xe(6p[1/2]0)，经过缓冲气体Kr碰撞弛豫，可将Xe(6p[1/2]0)弛豫到Xe(5d[1/2]1)，并以Xe(5d[1/2]1)作为激光上能级，Xe(6p[1/2]1)作为下能级，产生3680nm激光；再利用产生的Xe(6p[1/2]1)作为上能级，以Xe(6s[3/2]1)作为下能级，实现1084nm激光输出；以Xe(6p[1/2]1)作为上能级，以Xe(6s[3/2]2)作为下能级，实现980nm激光输出。
采用882nm激光泵浦Xe(6s[3/2]2)至Xe(6p[5/2]3)，经过缓冲气体Kr实现Xe(6p[5/2]3)碰撞弛豫到Xe(6p[5/2]2)，以Xe(6p[5/2]2)作为激光上能级，以Xe(6s[3/2]1)作为下能级，实现992nm激光输出；以Xe(6p[5/2]2)作为激光上能级，Xe(6s[3/2]2)为下能级，实现904nm激光输出。
通过利用波长为828nm的激光泵浦Xe(6s[3/2]1)至Xe(6p[1/2]0)，882nm的激光泵浦Xe(6s[3/2]2)至Xe(6p[5/2]3)，将激光下能级粒子泵浦到激光上能级，维持粒子数反转状态，实现激光长时间稳定输出。
进一步地，激光器的增益介质采用Kr和Xe的总压强在50-760Torr，PKr：PXe的范围在1:2-10:1。所述激光器的激光输出谱线包括以5d[1/2]1、6p[1/2]1、6p[5/2]2作为激光上能级的5条激光谱线；即：
3680nm(5d[1/2]1→6p[1/2]1)，
980nm(6p[1/2]1→6s[3/2]2)，
1084nm(6p[1/2]1→6s[3/2]1)，
904nm(6p[5/2]2→6s[3/2]2)，
992nm(6p[5/2]2→6s[3/2]1)。
通过采用适当的输出耦合镜和反射镜的薄膜，可选择输出激光的波长。通过调整828nm泵浦激光和882nm的泵浦激光的能量，可对各波长输出激光能量比例进行调控。
下面通过具体的应用实例，对本发明的方案做进一步说明。
实施例1
如图3所示，气体池中加入放电电极，并为其施加交流射频放电源，有效增益区为20cm，放电功率为1.2kW。气体池在通光方向为布什窗口连接，且前后窗口都采用蓝宝石窗口进行密封。气体池中充入Kr，Xe混合气体，总气压为500Torr，Kr和Xe的分压比为5:1。输出耦合镜和平凹全反镜之间的距离为30cm，平凹全反镜的曲率为30cm。混合气体放电后产生亚稳态Kr(5s[3/2]2)和Xe(6s[3/2]2)，通过近共振传能及采用10W的882nm和1W的828nm连续激光泵浦泵浦，实现Xe体系内粒子数反转，即放电区域变成了增益区域，在输出耦合镜和平凹全反镜之间形成谐振腔，输出激光，通过调节耦合镜的膜系实现不同波长激光输出。
采用的输出耦合镜的输出耦合率为3％(3680nm)，输出波长为3680nm，功率为500mW的激光；采用的输出耦合镜的输出耦合率为3％(980nm),能输出波长为980nm，功率为100mW的激光；采用的输出耦合镜的输出耦合率为3％(904nm),能输出波长为904nm，功率为0.8W的激光；采用的输出耦合镜的输出耦合率为3％(992nm)，能输出波长为992nm，功率为1.2W的激光；采用的输出耦合镜的输出耦合率为3％(1084nm),能输出波长为1084nm，功率为10mW的激光。
实施例2
采用高压脉冲放电源作为激励源，如图4所示。实施的条件为：采用脉冲介质阻挡放电，放电电压为2000V，频率为1KHz，总气压为500Torr，Kr和Xe的分压比为5:1。输出耦合镜和平凹全反镜之间的距离为30cm，平凹全反镜的曲率为30cm。其他步骤参考实施例1，采用10W的882nm和1W的828nm连续激光泵浦泵浦具体得到的结果如下：采用的输出耦合镜的输出耦合率为3％(3680nm),输出波长为3680nm，功率为800mW的激光；采用的输出耦合镜的输出耦合率为3％(980nm),能输出波长为980nm，功率为150mW的激光；采用的输出耦合镜的输出耦合率为3％(904nm),能输出波长为904nm，功率为1.2W的激光；采用的输出耦合镜的输出耦合率为3％(992nm)，能输出波长为992nm，功率为1.8W的激光；采用的输出耦合镜的输出耦合率为3％(1084nm),能输出波长为1084nm，功率为20mW的激光。
实施例3
如图3所示，气体池中加入放电电极，并为其施加交流射频放电源，有效增益区为20cm，放电功率为1.2kW。气体池在通光方向为布什窗口连接，且前后窗口都采用蓝宝石窗口进行密封。气体池中充入Kr，Xe混合气体，总气压为500Torr，Kr和Xe的分压比为5:1。输出耦合镜和平凹全反镜之间的距离为30cm，平凹全反镜的曲率为30cm。混合气体放电后产生亚稳态Kr(5s[3/2]2)和Xe(6s[3/2]2)，通过近共振传能及采用100mW的882nm和30mW的828nm连续激光泵浦泵浦。具体得到的结果如下：
采用的输出耦合镜的输出耦合率为5％(3680nm),输出波长为3680nm，功率为300mW的激光；采用的输出耦合镜的输出耦合率为5％(980nm),能输出波长为980nm，功率为60mW的激光；采用的输出耦合镜的输出耦合率为5％(904nm),能输出波长为904nm，功率为0.6W的激光；采用的输出耦合镜的输出耦合率为5％(992nm)，能输出波长为992nm，功率为1W的激光；采用的输出耦合镜的输出耦合率为5％(1084nm)，能输出波长为1084nm，功率为7mW的激光。
实施例4
如图3所示，气体池中加入放电电极，并为其施加交流射频放电源，有效增益区为20cm，放电功率为1.2kW。气体池在通光方向为布什窗口连接，且前后窗口都采用蓝宝石窗口进行密封。气体池中充入Kr，Xe混合气体，总气压为500Torr，Kr和Xe的分压比为5:1。输出耦合镜和平凹全反镜之间的距离为30cm，平凹全反镜的曲率为30cm。混合气体放电后产生亚稳态Kr(5s[3/2]2)和Xe(6s[3/2]2)，通过近共振传能及采用100mW的882nm和30mW的828nm连续激光泵浦泵浦。具体得到的结果如下：
采用的输出耦合镜的输出耦合率为5％(3680nm),输出波长为3680nm，功率为300mW的激光；采用的输出耦合镜的输出耦合率为5％(980nm),能输出波长为980nm，功率为60mW的激光；采用的输出耦合镜的输出耦合率为5％(904nm),能输出波长为904nm，功率为0.6W的激光；采用的输出耦合镜的输出耦合率为5％(992nm)，能输出波长为992nm，功率为1W的激光。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种多波长输出双循环光泵浦Xe激光器，其特征在于，包括：
第一泵浦激光光源(101)和第二泵浦激光光源(102)、二向色镜(103)、全反射镜(104)、输出耦合镜(105)、混合气体放电装置(106)以及气体池(107)，所述气体池(107)用于盛装Kr和Xe的混合气体，其设置在所述输出耦合镜(105)和全反射镜(104)之间；
所述第一泵浦激光光源(101)和第二泵浦激光光源(102)中的一个用于发射波长为828nm的泵浦激光，另一个用于发射波长为882nm的泵浦激光；
所述多波长输出双循环光泵浦Xe激光器的激励方式为：
采用放电的手段对所述混合气体进行激发，放电产生位于5s[3/2]2能级的Kr粒子和位于能级6s[3/2]2的Xe粒子，所述位于5s[3/2]2能级的Kr粒子和基态Xe碰撞通过近共振传能产生位于6p[1/2]0和5d[1/2]1能级的Xe粒子，其中位于5d[1/2]1的粒子Xe作为激光上能级，与作为激光下能级的、位于6p[1/2]1能级的Xe粒子实现粒子数反转，输出3680nm激光；
同时采用882nm和828nm的激光对放电产生的激发态Xe进行泵浦，其中采用828nm激光泵浦位于能级6s[3/2]1的Xe粒子至位于能级6p[1/2]0的Xe粒子，经过缓冲气体Kr碰撞弛豫，将位于能级6p[1/2]0的Xe粒子弛豫至位于能级5d[1/2]1的Xe粒子，并以位于能级5d[1/2]1的Xe粒子作为激光上能级，位于能级6p[1/2]1Xe粒子作为下能级，产生3680nm激光，再利用产生的、位于6p[1/2]1能级的Xe粒子作为上能级，以位于6s[3/2]1能级的Xe粒子作为下能级，实现1084nm激光输出；以位于6p[1/2]1能级的Xe粒子作为上能级，以位于能级6s[3/2]2的Xe粒子作为下能级，实现980nm激光输出；
采用882nm激光泵浦位于能级6s[3/2]2的Xe粒子至位于能级6p[5/2]3的Xe粒子，经过缓冲气体Kr实现位于能级6p[5/2]3的Xe粒子碰撞弛豫至位于能级6p[5/2]2的Xe粒子，以位于能级6p[5/2]2的Xe粒子作为激光上能级，以位于能级6s[3/2]1的Xe粒子作为下能级，实现992nm激光输出；以位于能级6p[5/2]2的Xe粒子作为激光上能级，以位于能级6s[3/2]2的Xe粒子为下能级，实现904nm激光输出；
采用828nm激光泵浦位于能级6s[3/2]1的Xe粒子至位于能级6p[1/2]0的Xe粒子，882nm激光泵浦位于能级6s[3/2]2的Xe粒子至位于能级6p[5/2]3的Xe粒子，将激光下能级粒子泵浦到激光上能级，维持粒子数反转状态，实现激光长时间稳定输出。
2.根据权利要求1所述的一种多波长输出双循环光泵浦Xe激光器，其特征在于，增益介质采用Kr和Xe的总压强在50-760Torr，Kr和Xe的分压比为1:2-10:1。
3.根据权利要求1所述的一种多波长输出双循环光泵浦Xe激光器，其特征在于，激光器的激光输出谱线包括：
以5d[1/2]1作为上能级、以6p[1/2]1作为下能级的3680nm激光；
以6p[1/2]1作为上能级、以6s[3/2]2作为下能级的980nm激光；
以6p[1/2]1作为上能级、以6s[3/2]1作为下能级的1084nm激光；
以6p[5/2]2作为上能级、以6s[3/2]2作为下能级的904nm激光；
以6p[5/2]2作为上能级、以6s[3/2]1作为下能级的992nm激光。
4.根据权利要求1所述的一种多波长输出双循环光泵浦Xe激光器，其特征在于，激光器输出激光的波长通过调整输出耦合镜和反射镜的薄膜选择。
5.根据权利要求1所述的一种多波长输出双循环光泵浦Xe激光器，其特征在于，通过调整828nm泵浦激光和882nm的泵浦激光的能量，对各波长输出激光能量比例进行调控。
6.根据权利要求1所述的一种多波长输出双循环光泵浦Xe激光器，其特征在于，所述混合气体放电装置(106)为射频放电装置或者高压脉冲放电源。
CN202111532180.4A 2021-12-14 2021-12-14 一种多波长输出双循环光泵浦Xe激光器 Pending CN116264370A (zh)

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