基于圆偏振光极化泵浦的碱金属蒸气激光器及出光方法

摘要

本发明属于激光器技术领域，涉及一种基于圆偏振光极化泵浦的碱金属蒸气激光器及泵浦与出光方法，包括半导体激光器、一号柱透镜、斩波器、二号柱透镜、二分之一λ波片、聚焦光学系统、激光谐振腔一号反射镜、一号偏振分光棱镜、一号四分之一λ波片、碱金属蒸气池、二号四分之一λ波片、二号偏振分光棱镜、激光谐振腔二号反射镜、一号光电探测器、二号光电探测器。本发明通过对泵浦光以及出射激光偏振态的控制，从物理机理层面实现了碱金属激光器效率的提升；然后基于特定偏振态的泵浦光和激光，实现了特定能级之间的跃迁，通过提升跃迁截面实现对自发辐射的抑制；最后通过调节波片角度就能够实现线偏振和圆偏振两种方式的出光，可调节性强。

说明书

技术领域

本发明属于激光器技术领域，涉及一种基于圆偏振光极化泵浦的碱金属蒸气激光器及泵浦与出光方法。

背景技术

半导体泵浦碱金属蒸气激光器(Diode pumped alkali vapor laser,DPAL)以半导体激光器作为泵浦源，以碱金属原子蒸气作为增益介质(钾、铷、铯)，通过简单的三能级结构实现出光。该类激光器兼具了传统化学激光和全固态激光的优势，一方面继承了气体激光优越的流动散热能力和良好的光束质量，另一方面继承了固态激光基于电能驱动的高功率半导体泵浦能力，同时该类激光循环流动的工作模式，加之碱金属原子本身极高的量子效率(钾99.6％,铷98.1％和铯95.4％)，以及近红外原子谱线优越的大气传输能力(钾770nm、铷795nm和铯894nm)，上述优势使得DPAL成为目前高效紧凑兆瓦级激光武器系统的潜在选择之一。虽然当前DPAL在功率水平上有了长足的发展，光-光效率也能够达到50％以上，但是这与量子效率仍旧差距较大。其主要原因子在于碱金属原子较大的截面使强自发辐射引起的损耗十分显著，极大限制了DPAL效率的提升。

为抑制其影响，当前主要有两种方式：进一步增大泵浦强度或增大受激辐射截面。泵浦强度受限于当前半导体工业的发展，短时间内很难实现巨大突破；而在传统激光技术中由于只采用线偏振光泵浦，线偏振光出光的方式，受激辐射截面为常数。

基于上述两个方式的局限性，人们想到能否通过对泵浦与出光进行调控的方式实现更高效的出光。在准分子泵浦碱金属蒸气激光器中通过圆偏振光泵浦圆偏振光出光实现了相较于线偏振光泵浦线偏振光出光50％的效率提升[Efficient Lasing on AlkaliAtomic D₂Lines>

发明内容

本发明的发明目的是：

提出一种基于圆偏振光极化泵浦的碱金属蒸气激光器，目的在于克服上述常出光方式在效率提升方面的局限性，解决碱金属激光器大截面引起的强自发辐射损耗对出光功率提升的影响，为激光器效率提升提供一种全新的方式。

本发明采用的技术方案是：

一种基于圆偏振光极化泵浦的碱金属蒸气激光器，包括半导体激光器1、一号柱透镜3、斩波器4、二号柱透镜5、二分之一λ波片6、聚焦光学系统7、激光谐振腔一号反射镜8、一号偏振分光棱镜9、一号四分之一λ波片10、碱金属蒸气池11、二号四分之一λ波片12、二号偏振分光棱镜13、激光谐振腔二号反射镜14、一号光电探测器15、二号光电探测器16。

对于半导体激光器1发出的泵浦光2，经过一号柱透镜3、斩波器4和二号柱透镜5后转变为准连续平行光，二分之一λ波片6调节泵浦光的偏振方向使其与P光(所述P光是指偏振方向平行于水平面的光)一致，聚焦光学系统7将泵浦光聚焦到碱金属蒸气池11中，泵浦光进入碱金属蒸气池11前经过一号偏振分光棱镜9和一号四分之一λ波片10，所述一号偏振分光棱镜9可以完全透射P光，反射S光(所述S光是指偏振方向垂直于水平面的光)，但是根据入射方向的不同，S光的反射方向也会存在差异，具体表现在下述对于泵浦光与激光的不同反射方向上，其在光路中有两个作用：第一个作用是限制泵浦光的偏振方向，实现大截面能级之间的泵浦，泵浦光中只有P光能够透过一号偏振分光棱镜9进入碱金属蒸气池11，泵浦光中残留的S光会被一号偏振分光棱镜9向远离激光谐振腔一号反射镜8的方向反射到谐振腔外；第二个作用是限制出射激光的偏振方向，实现大截面能级之间的出光；所述一号四分之一λ波片10用于将线偏振泵浦光转化为左旋圆偏振泵浦光，左旋圆偏振泵浦光透过碱金属蒸气池11后经过二号四分之一λ波片12，重新转化为P光线偏振光，经过二号偏振分光棱镜13透射出系统，进入一号光电探测器15；

对于激光谐振过程，激光谐振腔一号反射镜8反射的激光分为两部分，P光与泵浦光相同，直接透过一号偏振分光棱镜9，朝远离激光谐振腔一号反射镜8的方向出射，S光由于与泵浦光入射的方向不同，被一号偏振分光棱镜9反射，朝着碱金属蒸汽池11方向出射，而S光经过一号四分之一λ波片10转化为右旋圆偏振光，右旋圆偏振光在碱金属蒸汽池11中被放大之后，经过二号四分之一λ波片12重新转化为S光，转化后的S光由二号偏振分光棱镜13向上反射，进入激光谐振腔二号反射镜14，部分激光透射过激光谐振腔二号反射镜14后进入二号光电探测器16；部分激光被激光谐振腔二号反射镜14反射回谐振腔以提供反馈。所述一号光电探测器15用以检测泵浦光泵浦过程，所述二号光电探测器16用以检测激光出光过程。以上技术方案通过使用一号偏振分光棱镜9、二号偏振分光棱镜13和一号四分之一λ波片10、二号四分之一λ波片12四个光学元件，实现了在碱金属蒸气池11内左旋圆偏振光泵浦，右旋圆偏振光出光，实现了大跃迁截面之间的泵浦和出射。

进一步地，所述碱金属蒸汽池11中的工作介质可以为钾、铷或者铯中的一种。

进一步地，所述工作介质可以为静止或者流动。

进一步地，所述一号偏振分光棱镜9和二号偏振分光棱镜13为偏振选择元件，指可以实现特定偏振态光透射的元件，包括但不限于偏振分光棱镜、偏振分光片、偏振分光膜等。

进一步地，所述一号四分之一λ波片10和二号四分之一λ波片12为偏振调节器，指能够实现光的偏振态转变的器件，通过快慢轴之间的相位差实现线偏振光与圆偏振光之间的转变。

本发明提供一种基于以上激光器的泵浦与出光方法，该方法包括以下步骤：

第一步是实现左旋圆偏振光泵浦：半导体激光器1发出的泵浦光2经过一号柱透镜3、斩波器4和二号柱透镜5后转变为准连续平行光，经过二分之一λ波片6调整偏振方向后，泵浦光变为P光，偏振方向平行于水平面，能够直接透过一号偏振分光棱镜9；P光经过一号四分之一λ波片10后偏振方向转化为左旋圆偏振光，实现泵浦光的左旋圆偏振光泵浦方式。泵浦之后，剩余的左旋圆偏振泵浦光透过碱金属蒸气池11后经过二号四分之一λ波片12的转化，重新变为P光线偏振光，最后透过二号偏振分光棱镜13，实现与激光的分离。

第二步是实现右旋圆偏振光出光：碱金属蒸汽池11内产生的左旋圆偏振和右旋圆偏振光向左发射，经过一号四分之一λ波片10分别转化为P光和S光，其中P光直接透过一号偏振分光棱镜9，向左进入聚焦光学系统7，无法返回碱金属池实现增益；S光被一号偏振分光棱镜9向上反射，经过激光谐振腔一号反射镜8反射后，回碱金属蒸汽池11，再次经过四分之一λ波片10重新转化为右旋圆偏振光，在碱金属蒸气池11内实现右旋圆偏振激光的放大，之后经过二号四分之一λ波片12转化回S光，转化后的S光被二号偏振分光棱镜13反射进入激光谐振腔二号反射镜14，一部分S光被激光谐振腔二号反射镜14反射回谐振腔以提供反馈，另一部分透过激光谐振腔二号反射镜14实现右旋圆偏振光出光。

本发明还提供另一种基于以上激光器的泵浦与出光方法，该方法如下：

旋转一号四分之一λ波片10和二号四分之一λ波片12，使得泵浦光与激光的偏振方向分别与两个波片的快轴、慢轴方向平行，此时通过两个波片的泵浦光与激光的偏振方向不发生变化，实现P偏振光泵浦，S偏振光出光。通过简单旋转波片角度，实现了从圆偏振出光向线偏振光(S光)出光的转变。

本发明的技术效果在于：

1.本发明通过对泵浦光以及出射激光偏振态的控制，从物理机理层面实现了碱金属激光器效率的提升，为其他激光器效率的提升提供了一种全新的可行方案；

2.本发明基于特定偏振态的泵浦光和激光，实现了特定能级之间的跃迁，通过提升跃迁截面实现对自发辐射的抑制；

3.本发明通过调节波片角度就能够实现线偏振和圆偏振两种方式的出光，可调节性强。

附图说明

图1为传统线偏振光泵浦，线偏振光出光能级跃迁示意图；

图2为左旋圆偏振光泵浦，右旋圆偏振光出光能级跃迁示意图；

图3为圆偏振光极化泵浦的碱金属蒸气激光器光路示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

本发明所提出的基于圆偏振光极化泵浦的碱金属蒸气激光器，以典型的铷蒸气激光器为例，该发明同样适用于钾和铯蒸气激光器。

图1为传统线偏振光泵浦，线偏振光出光时原子能级跃迁示意图。²S_1/2为基态，分为m＝+1/2和m＝-1/2两个子能级。²P_1/2为第一激发态分为m＝+1/2和m＝-1/2两个子能级。²P_3/2为第二激发态分为m＝+3/2、m＝+1/2、m＝-1/2和m＝-3/2四个子能级；基态m＝+1/2和m＝-1/2两个能级对于线偏振光的跃迁截面都是相同的。

图2为左旋圆偏振光泵浦，右旋圆偏振光出光原子能级跃迁示意图。基态m＝+1/2和m＝-1/2两个子能级对于左旋圆偏振光的跃迁截面存在较大差异。m＝+1/2能级远大于m＝-1/2能级。通过左旋圆偏振光泵浦右旋圆偏振光出光能够使得更多原子集中于m＝+1/2能级，实现大截面路径的泵浦，以此来提升泵浦效率，最终实现出光效率的提升。

图3为圆偏振光极化泵浦的碱金属蒸气激光器光路示意图。半导体激光器1发出的泵浦光2经过一号柱透镜3、斩波器4和二号柱透镜5后转变为准连续平行光，二分之一λ波片6调节泵浦光的偏振方向使其与P光一致，聚焦光学系统7将泵浦光聚焦到碱金属蒸气池11中，泵浦光进入碱金属蒸气池11前经过一号偏振分光棱镜9和一号四分之一λ波片10，由P偏振线偏光转换为右旋圆偏振光，实现左旋圆偏振光泵浦。多余左旋圆偏振泵浦光透过碱金属蒸气池11后经过二号四分之一λ波片12，重新转化为P光线偏振光，经过二号偏振分光棱镜13透射出系统，进入光电探测器15，实现泵浦光时间演化过程的探测。对于激光谐振过程，激光谐振腔一号反射镜8反射的激光分为两部分，P光直接透过一号偏振分光棱镜9，无法返回碱金属池实现增益，S光反射回碱金属池，而S光经过四分之一λ波片10转化为右旋圆偏振光，经过四分之一λ波片12转化为S光，转化后的S光经过二号偏振分光棱镜13，实现与泵浦光P光的分离，激光S光反射进入激光谐振腔二号反射镜14，部分激光透射进入二号光电探测器16，用以检测激光出光过程；部分激光被反射回谐振腔以提供反馈。

理论上，通过仿真获得左旋圆偏振光泵浦右旋圆偏振光出光能够达到62.6％的效率。作为对比，在相同光路条件下，仅转动光路中的四分之一λ波片10、12实现传统线偏振光泵浦线偏振光出光时，效率只有39.7％。左旋圆偏振光泵浦右旋圆偏振光出光相较于传统线偏振光泵浦线偏振光出光效率上有了57.7％的提升。