基于DBR激光器的Rb蒸气粒子数密度检测方法研究

摘要

半导体泵浦碱金属蒸气激光器（DPAL）兼具固体激光和气体激光的综合优势，具有量子效率高、气体介质循环使用流动散热、全电操作、结构紧凑、近红外原子谱线大气透过性好等特点，是极具发展潜力的新型激光光源。自2003年DPAL概念提出以来，美、俄等国高度重视并大力发展，2012年已实现千瓦平均功率高效 DPAL激光输出。目前的研究主要集中在功率提升以及基本物理问题方面，对DPAL重要运行参量，如碱蒸气粒子数密度、介质温升等的诊断测试方面的研究开展的较少；但相关参量的测量对于激光器性能分析和设计具有重要指导意义，因此有必要开展深入研究。鉴于此，本文对DPAL运行的关键参量——碱蒸气粒子数密度和介质温升进行测量与分析，主要包括以下几个方面的内容：
　　1、综述了用于碱金属蒸气粒子数密度测量的几种方法，通过对比分析确定本文研究方法。根据光与原子相互作用的理论主要有三种测量方法：吸收光谱法、法拉第磁光效应测量法和干涉测量法，分别通过对光的振幅、偏振态和相位参量改变的测量，间接得到待测碱金属蒸气粒子数密度。对于碱金属激光器操作条件，法拉第磁光法磁致偏振偏转角过小，难以实现精密测量；蒸气池加热导致的热流扰动和窗口热畸变显著影响干涉测量法的精度。相比之下，吸收光谱法操作简单，易于实现系统集成，测量精度高，因此本文应用吸收光谱法测量增益介质粒子数密度。
　　2、对铷蒸气粒子数密度进行测量。理论上，综合考虑铷原子超精细能级结构、同位素丰度、缓冲气体碰撞加宽与频移等因素计算了基于Voigt线型的铷原子D1线吸收截面，在此基础上计算了不同粒子数密度条件下碱金属增益介质的吸收光谱。实验中，采用中心波长795nm、无跳模调谐范围23GHz的DBR半导体激光器作为探针光，开展铷蒸气吸收光谱的测量。首次提出基于温度和电流扫描联调的方案进行光谱拼接，实现了100GHz无跳模光谱扫描，能够对添加1atm缓冲气压谱线加宽条件下铷原子吸收谱线进行完整扫描。通过将测量得到的透射光谱曲线与理论计算的结果进行对比拟合，得到特定温度下铷粒子数密度。将该结果与饱和蒸气压公式计算结果进行对比，在两种方法都适用的条件下得到一致的结果，验证了该方法的正确性；并进一步指出在高功率泵浦以及介质流动等饱和蒸气压公式不适用条件下该方案的有效性。
　　3、利用LabVIEW虚拟仪器对碱金属蒸气粒子数密度测量实验方案进行系统集成，利用该系统对泵浦条件下 DPAL增益介质温度分布进行测量。通过虚拟仪器系统集成与模块化封装，有效提升该测量方案的可操作性、实时性和可视化效果，便于系统移植与重复使用。泵浦条件下观测到明显的介质温升，在平均功率4W泵浦条件下探测到显著温度梯度分布，泵浦区域边缘温升达到60度。实验结果表明 DPAL虽然具有低的量子亏损，但高的泵浦强度仍然会导致较高热功率密度和温升。基于LabVIEW的碱金属蒸气粒子数密度测量系统为高功率泵浦DPAL温度分布探测奠定实验基础。

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第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 饱和蒸气压公式的局限

1.3 研究内容及结构安排

第二章 碱金属蒸气粒子数密度测量方法综述

2.1 吸收光谱法

2.2 法拉第磁光效应测量法

2.3 干涉测量法

2.4 测量方法对比分析

2.5 本章小结

第三章 铷DPAL增益介质粒子数密度测量

3.1 铷吸收光谱计算

3.2铷蒸气透过率曲线测量

3.3实验结果与误差分析

3.4 本章小结

第四章 基于LabVIEW的增益介质温度分布测量

4.1 软件设计

4.2 DPAL增益介质温度分布测量

4.3 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 本文主要工作及相关成果

5.2 本文主要创新点

5.3 研究展望

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果

附录