[发明专利]碱金属激光器增益介质原子浓度和温度检测装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于激光器技术领域，具体涉及一种基于示踪原子或分子的碱金属激光器增益介质原子浓度和温度的检测装置及检测方法。

背景技术

半导体泵浦碱金属蒸气激光器(Diode pumped alkali vapor laser,DPAL)利用半导体激光器作为泵浦源激励碱金属原子(钾、铷或者铯)饱和蒸气实现激光输出。该类激光器综合了半导体激光器高功率输出和气相介质流动散热优势，具有高电光转换效率，具备高功率输出能力，在激光传能、航空航天以及军事等领域具有潜在应用价值。碱金属激光器稳定运行的关键因素是要确保半导体泵浦区域内碱金属原子浓度的稳定和低的介质温升。在高强度连续泵浦条件下，由于碱金属原子量子亏损将产生较高的热功率密度，在气体密闭静止或者流动散热不充分的情况下，废热沉积将导致泵浦区域产生显著温升，碱金属原子浓度显著下降，导致激光器输出功率下降甚至终止；同时，介质温度的升高也将导致光与原子以及原子与原子之间相互作用情况的改变，甚至引发化学反应，终止激光过程。因此，对高功率半导体泵浦区域内碱金属原子浓度以及温度的检测在碱金属激光器的性能评估和诊断测试方面具有重要意义。

目前常用的测量碱金属原子浓度的方法主要有吸收光谱法和法拉第偏振旋转法：吸收光谱法基于比尔定律，利用单频探针激光通过碱金属原子蒸气后的强度变化反推碱金属原子浓度，该方法适用于被探测碱金属原子均处于基态(²S_1/2态)的情况；然而在DPAL高强度泵浦区域内，碱金属原子大多处于高能态(泵浦上能级²P_3/2或者激光上能级²P_1/2)，此时利用吸收光谱法测得的是探针激光频率所对应能级之间的粒子数差，而非总的碱金属原子浓度，因此不适用；法拉第偏振旋转法是基于法拉第磁光效应，通过测量线偏振探针光通过碱金属蒸气后偏振态的旋转角度确定碱金属原子浓度，该方法适合于测量碱金属原子蒸气浓度较高的情况(>10¹⁵cm^-3)，DPAL中碱金属原子浓度在10¹²～10¹³cm^-3量级，利用该方法得到的偏转角过小，难以实现精确测量，同时该方法需要施加强磁场，结构复杂，且测量过程本身可能对DPAL的性能产生影响，因此不适用。

基于上述常规测量方法的局限性，人们仅利用吸收光谱法在DPAL泵浦区域边缘测量了碱金属原子浓度以及温度分布梯度[C.Fox等，Temperature gradients in diode-pumped alkali lasers,SPIE Newsroom,2012]，并基于此对泵浦区域内的碱金属原子浓度和温升进行了推测[阙义钦等，100GHz光谱扫描测量碱金属蒸气激光器增益介质浓度，中国激光，41(5)，2014]，目前尚未实现对半导体泵浦区域内的碱金属增益介质原子浓度和温度的测量。

发明内容

本发明的目的在于克服上述常规测量方法的局限性，提出一种基于示踪原子或分子的碱金属激光器增益介质原子浓度和温度检测装置及检测方法，以解决碱金属激光器泵浦增益区内碱金属原子浓度和温度测量的技术瓶颈，为激光器性能评估和诊断测试提供有效手段。

本发明采用的技术方案是：一种碱金属激光器增益介质原子浓度和温度检测装置，该装置包括半导体泵浦激光器、光束整形和聚焦光学系统、碱金属蒸气增益介质、一号腔镜、二号腔镜、探针激光器、光学隔离器、偏振调节元件、一号分光镜、二号分光镜、激光波长计、一号激光功率计、二号激光功率计、一号偏振分光元件、二号偏振分光元件、信号处理设备，其中一号腔镜和二号腔镜构成了激光谐振腔，所述激光谐振腔内含有碱金属蒸气增益介质，所述碱金属蒸气增益介质内包含有工作碱金属原子、示踪原子及产生碱金属蒸气激光所需的其他缓冲气体。

半导体泵浦激光器发出的泵浦光经过光束整形和聚焦光学系统后入射至一号腔镜、碱金属蒸气增益介质和二号腔镜，在一号腔镜和二号腔镜构成的激光谐振腔反馈作用下产生碱金属蒸气激光输出，此处光路定义为碱金属蒸气激光光路A。