一种基于介质阻挡放电的泵浦约束型DPRGLs系统
阅读说明：本技术 一种基于介质阻挡放电的泵浦约束型DPRGLs系统 (Pumping constraint type DPRGLs system based on dielectric barrier discharge ) 是由 杨子宁 王蕊 王红岩 韩凯 杨未强 许晓军 于 2021-09-09 设计创作，主要内容包括：本发明属于激光器技术领域,具体涉及一种基于介质阻挡放电的泵浦约束型DPRGLs系统,本发明通过介质阻挡放电模式和泵浦约束结构的结合,使得DPRGLs系统可以同时满足大体积放电与高效泵浦：采用介质阻挡放电模式易于实现大气压量级惰性气体的大体积空间均匀放电,适合高功率激光对大增益体积的要求；泵浦约束结构有利于在长的泵浦距离内维持高泵浦强度,一方面长泵浦距离有利于实现充分的泵浦吸收,另一方面高泵浦强度是提升原子受激发射速率、有效抑制荧光损耗,从而实现高光光转换效率的物理基础；本发明能够在继承介质阻挡放电的优点的同时,通过增加增益长度,满足激光系统对原子柱密度的需求,从而支撑高能激光的有效运转。(The invention belongs to the technical field of lasers, and particularly relates to a pumping-constrained DPRGLs (dual-beam laser beams) system based on dielectric barrier discharge, which can simultaneously meet the requirements of large-volume discharge and high-efficiency pumping by combining a dielectric barrier discharge mode with a pumping constraint structure: the large-volume space uniform discharge of the atmosphere-pressure inert gas is easily realized by adopting a dielectric barrier discharge mode, and the requirement of high-power laser on large gain volume is met; the pumping constraint structure is beneficial to maintaining high pumping intensity in a long pumping distance, on one hand, the long pumping distance is beneficial to realizing sufficient pumping absorption, and on the other hand, the high pumping intensity is a physical basis for improving the stimulated emission rate of atoms and effectively inhibiting the fluorescence loss, so that the high light-light conversion efficiency is realized; the invention can meet the requirement of a laser system on the density of the atomic column by increasing the gain length while inheriting the advantage of dielectric barrier discharge, thereby supporting the effective operation of high-energy laser.)
技术领域
本发明属于激光器技术领域，具体涉及一种基于介质阻挡放电(DielectricBarrier Discharge，DBD)的泵浦约束型半导体泵浦亚稳态惰性气体激光(Diode PumpedMetastable Rare Gas Lasers,DPRGLs)系统。
背景技术
半导体泵浦亚稳态惰性气体激光(Diode Pumped Metastable Rare Gas Lasers,DPRGLs)以亚稳态(一般为1s5态)惰性气体(通常为氩、氪和氙)作为激光介质，采用大功率窄线宽半导体激光作为泵浦源进行光泵浦，通过经典的三能级激光过程实现激光输出，并利用气体流动进行高效散热。DPRGLs是美国埃默里大学的Heaven等于2012年在半导体泵浦碱金属激光(Diode Pumped Alkali Lasers,DPALs)发展的基础上提出并首次验证的新型光泵浦气体激光系统(Gain and lasing of optically pumped metastable rare gasatoms，Michael Heaven等,Opt.Lett.,Vol.37,No.11,2157,2012)。由于原子结构的相似性，DPRGLs继承了碱金属激光的基本运转模式和诸多物理优势，包括大原子截面、高量子效率、低废热排放、近红外短波输出(<1um)、工质循环利用、全电操作、高效气流热管理等；同时，相比于碱金属原子高度的化学反应活性和饱和蒸气相的物理属性，惰性气体更易于操作，大大简化了工程系统在材料、密封、洁净和加热等方面的要求。基于上述原因，DPRGLs有望发展成为一种新型的电能驱动、单口径输出、轻质紧凑化的超高能激光系统，在军事国防、航空航天等领域具有重要的潜在应用价值。
DPRGLs和DPALs的最大区别在于激光介质的产生方式上，不同于碱金属原子蒸气加热产生方式，亚稳态惰性气体原子需要通过电子碰撞—即气体放电的方式产生。在放电等离子体中，惰性气体原子在电子碰撞作用下由基态(电子构型np6)激发至np5(n+1)s构型内的亚稳态(1s5)，然后通过光泵浦(1s5→2p9)、碰撞弛豫(2p9→2p10)和激射(2p10→1s5)的典型三能级过程完成半导体泵浦光向激光输出的转化。目前，DPRGLs发展亟待解决的关键问题在于如何对大气压量级的惰性气体实现大体积均匀放电，并且需要满足对放电频率、电子能量和注入功率等一系列要求，以在大体积内产生空间分布均匀的、连续的、高浓度的亚稳态惰性气体原子；以美国空军研究实验室的初步评估作为参考，对于100kW级DPRGLs，需要在69cm3空间内产生浓度为1×1013cm-3的亚稳态氩原子(Five-level argon–heliumdischarge model for characterization of a diode-pumped rare-gas laser,BenEshel等,J.Opt.Soc.Am.B,Vol.35,No.1,164,2018)。然而，现有的一系列技术方案距离上述目标均存在较大差距，具体的，美国埃默里大学团队采用200kHz直流纳秒脉冲放电模式，能够产生1013cm-3量级亚稳态氩原子，并成功实现近10W激光输出，但采用裸电极放电不稳定，电极表面易损伤转为弧光放电，导致放电体积有限且难以有效拓展(Demonstration ofa CW diode-pumped Ar metastable laser operating at 4W,Heaven等,Opt.Lett.,Vol.42,No.22,4627,2017)；美国物理科学公司等采用920MHz微波放电，可以产生4×1012cm-3亚稳态氩原子，成功演示高效率(～55％)激光输出，但放电体积仅能局限在mm级线度，无法有效拓展(Optically pumped microplasma rare gas laser,Rawlins等,Opt.Express,Vol.23,No.4,pp.4804,2015)；美国空军技术研究所采用适合大体积放电的射频激励模式，但产生亚稳态原子浓度较低，多在1011-1012cm-3范围内，无法实现高效泵浦吸收(Steady-State Model of an Argon–Helium High-Pressure Radio FrequencyDielectric Barrier Discharge,Emmons等,IEEE Trans.Plasma Sci.,Vol.48,No.8,2715,2020)；俄罗斯列别捷夫物理研究所等采用适合大气压级大体积放电的20kHz中频介质阻挡放电，但受限于激励频率和亚稳态原子寿命，无法产生连续稳定的亚稳态原子，因此不能支撑激光系统连续运转(Lasing in optically pumped Ar:He mixture excited ina dielectric barrier discharge,Pavel等,Proc.of SPIE,Vol.11042,1104206-1,2019)。与此同时，目前的DPRGLs系统均采用自由空间泵浦方式，这在百瓦级泵浦功率水平下是合适的，但随着泵浦功率的提升，受限于半导体泵浦光较差的光束质量，自由空间泵浦难以同时满足高泵浦强度(DPRGLs的高效运转一般需要达到不低于10kW/cm2泵浦强度)和长的准直距离，并且难以和放电电极结构相协调。
综上所述，现有技术方案均无法满足大体积、高浓度、连续稳定的亚稳态原子产生和高功率半导体高强度长程有效泵浦的综合需求。
发明内容
本发明的目的是：针对现有技术方案的局限性，提出一种基于介质阻挡放电的泵浦约束型DPRGLs系统，将介质阻挡放电模式和长程泵浦约束结构相结合，一方面利用介质阻挡放电稳定可靠的优点实现大气压级惰性气体的大体积空间放电，另一方面基于长程泵浦约束结构实现半导体泵浦光的高强度泵浦和有效吸收，同时利用长的增益尺寸能够有效弥补目前介质阻挡放电方式产生亚稳态原子浓度不足的问题，确保所需的亚稳态原子柱密度，支撑大功率高效激光输出。
本发明采用的技术方案是：一种基于介质阻挡放电的泵浦约束型DPRGLs系统，包括储气罐1，其内储存有工作气体(例如氦气、氖气、氩气、氪气、氙气等惰性气体或者上述气体之间的混合物，或者上述气体与其他种类气体(例如甲烷等)之间的混合物)、气动控制装置2，用于控制气路的通断、气体净化装置3，用于过滤工作气体中的杂质气体、放电电源4、第一放电电极5A、第一电极冷却装置6A、第一介质阻挡层7A、第一高反射介质膜层8A、第一固壁约束层9A、第二放电电极5B、第二电极冷却装置6B、第二介质阻挡层7B、第二高反射介质膜层8B、第二固壁约束层9B，所述第一放电电极5A、第一电极冷却装置6A、第一介质阻挡层7A、第一高反射介质膜层8A、第一固壁约束层9A、第二放电电极5B、第二电极冷却装置6B、第二介质阻挡层7B、第二高反射介质膜层8B、第二固壁约束层9B均采用长程设计，长度与宽度之比大于100，第一半导体泵浦源10、第一泵浦光束整形传输装置11、第二半导体泵浦源12、第二泵浦光束整形传输装置13、第一激光窗口14、第二激光窗口15、第一谐振腔腔镜16、第二谐振腔腔镜17和密闭腔室18，其中第一放电电极5A、第一电极冷却装置6A、第一介质阻挡层7A、第一高反射介质膜层8A、第一固壁约束层9A和第二放电电极5B、第二电极冷却装置6B、第二介质阻挡层7B、第二高反射介质膜层8B、第二固壁约束层9B共同组成介质阻挡放电区域，放电电源4与第一放电电极5A连接，第二放电电极5B接地，第一放电电极5A和第二放电电极5B共同组成平行板电容器，用于对惰性气体放电；第一介质阻挡层7A、第一高反射介质膜层8A、第一固壁约束层9A和第二介质阻挡层7B、第二高反射介质膜层8B、第二固壁约束层9B共同组成泵浦约束结构；介质阻挡放电区域和泵浦约束结构安装在由第一激光窗口14、第二激光窗口15和两块聚四氟乙烯材料组成的密闭腔室18内，第一激光窗口14按布鲁斯特角(55.57°)和第二激光窗口15按布鲁斯特角(124.43°)安装在密闭腔室18的两端，构成布鲁斯特窗口；储气罐1内储存的工作气体在气动控制装置2的控制下，经过气体净化装置3进行提纯后从密闭腔室18左侧流入密闭腔室18，工作气体流过由第一放电电极5A、第一电极冷却装置6A、第一介质阻挡层7A、第一高反射介质膜层8A、第一固壁约束层9A和第二放电电极5B、第二电极冷却装置6B、第二介质阻挡层7B、第二高反射介质膜层8B、第二固壁约束层9B共同组成的介质阻挡放电区域，在第一放电电极5A和第二放电电极5B组成的平行板电容器内电场的作用下，实现大体积均匀气体介质阻挡放电，产生亚稳态惰性气体原子；第一半导体泵浦源10出射的泵浦光通过第一光束整形传输系统11进行光束整形后、第二半导体泵浦源12出射的泵浦光通过第二光束整形传输系统13进行光束整形后，分别入射至由第二介质阻挡层7B、第二高反射介质膜层8B、第二固壁约束层9B以及由第一介质阻挡层7A、第一高反射介质膜层8A、第一固壁约束层9A共同组成的泵浦约束结构内，泵浦光在泵浦约束结构内多次反射，对亚稳态惰性气体原子进行高强度长程泵浦，产生粒子数反转的激光增益介质，在由第一谐振腔腔镜16和第二谐振腔腔镜17组成的激光谐振腔的反馈作用下，实现激光输出；放电过程所产生的废热分别由第一电极冷却装置6A和第二电极冷却装置6B带走，泵浦激光过程所产生的废热通过工作气体的流动由密闭腔室18右侧排出。
作为本发明的进一步改进，所述工作气体为氦气、氖气、氩气、氪气、氙气或者上述气体之间的混合物，或者上述气体与其他种类气体之间的混合物；
作为本发明的进一步改进，所述第一半导体泵浦源10和第二半导体泵浦源12的波长为811.75nm(泵浦亚稳态氩原子)、811.51nm(泵浦亚稳态氪原子)、882.18nm(泵浦亚稳态氙原子)或者其他与亚稳态惰性气体原子电偶极跃迁谱线相对应的波长；
作为本发明的进一步改进，所述第一半导体泵浦源10和第二半导体泵浦源12的封装方式可以为基于巴条的垂直阵列、水平阵列或者二维面阵，也可以为基于单管合束的方式，泵浦激光为自由空间输出或者光纤耦合输出；
作为本发明的进一步改进，所述第一介质阻挡层7A和第二介质阻挡层7B为具有电学绝缘特性、对泵浦波长具有大角度范围的高反特性和对激光波长具有增透特性的材料，通常选择的材料为镀膜石英材料；
作为本发明的进一步改进，所述第一固壁约束层9A和第二固壁约束层9B应选择能够有效抵抗等离子体区域电子轰击和活性化学物质的腐蚀，此外还应满足在大角度范围内对半导体泵浦光具有高反射率的材料，通常选择的材料为Al2O3；
作为本发明的进一步改进，所述DPRGLs系统可以为泵浦与激光共线的端面泵浦方式，也可以为泵浦与激光垂直的侧面泵浦方式；
作为本发明的进一步改进，工作气体可以为循环流动运转模式，也可以为单向流动直排真空或者大气的运转模式。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1.通过介质阻挡放电模式和泵浦约束结构的结合，使得DPRGLs系统可以同时满足大体积放电与高效泵浦：采用介质阻挡放电模式易于实现大气压量级惰性气体的大体积空间均匀放电，适合高功率激光对大增益体积的要求；泵浦约束结构有利于在长的泵浦距离内维持高泵浦强度，一方面长泵浦距离有利于实现充分的泵浦吸收，另一方面高泵浦强度是提升原子受激发射速率、有效抑制荧光损耗，从而实现高光光转换效率的物理基础；
2.现有介质阻挡放电方式产生的亚稳态惰性气体原子浓度有限，多为～1012cm-3量级，本发明能够在继承介质阻挡放电的优点的同时，通过增加增益长度，满足激光系统对原子柱密度的需求，从而支撑高能激光的有效运转。
附图说明
图1半导体泵浦亚稳态惰性气体激光器能级结构与跃迁过程示意图；
图2本发明所述基于介质阻挡放电的泵浦约束型DPRGLs系统结构示意图。
具体实施方式
以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
如图1所示，为半导体泵浦亚稳态惰性气体激光器的能级结构和跃迁过程示意图。惰性气体原子(如氩、氪和氙)具有满壳层的基态电子结构ns2np6，采用气体放电方式将其激发至np5(n+1)s结构，该结构具有四种能态(1s2至1s5，其中1s5为最低亚稳态能级)，np5(n+1)p结构具有十种能态(2p1,2p2,…2p10)，我们所关注的跃迁过程包括1s5、2p9和2p10三个能级，其中半导体泵浦吸收跃迁为1s5→2p9，2p9→2p10之间为电偶极禁戒跃迁，通过缓冲气体(通常为氦气)的碰撞弛豫实现快速的粒子数转移，激光跃迁过程为2p10→1s5。
图2为本发明在具体应用中的一个实例，以典型的半导体泵浦亚稳态氩原子激光器为例，缓冲气体为氦气，本发明同样适用于亚稳态氪原子、氙原子和其他类似惰性气体原子，具体的：工作气体1为氩气和氦气的混合气体，通常情况下惰性气体总压强在0.5-2atm范围内，氩气分压强在2-10％之间；气动控制装置2用于调节工作气体的压力和流量，以满足放电区域—也就是激光的增益区域对气体压力和流动散热能力的需求；气体净化装置3用于对工作气体进行提纯，一般需要控制工作气体内的水、氧等杂质含量在1ppm以内，防止上述杂质等对1s5亚稳态氩原子产生显著的猝灭效应；为了产生持续的和所需浓度的亚稳态氩原子，理想情况下气体放电需要满足以下几方面条件：一是电子能量分布通常不低于1-2eV，二是约化电场强度(E/N，E为场强，N为气体粒子数密度)期望值不低于10Td，三是放电频率要远远高于亚稳态氩原子的损失速率，考虑到大气压级洁净氦/氩混合气体内亚稳态氩原子寿命通常在5-10us左右，放电频率通常不低于200kHz。本实施例以射频介质阻挡放电(RF-DBD)为例进行说明，这种放电方式已较为成熟并在工业表面处理等领域得到广泛应用，能够支持大气压级大体积均匀气体放电。放电电源4为射频电源，放电电极(第一放电电极5A和第二放电电极5B)均为矩形平板电极，通常为铜等导体，放电区域—也就是激光的增益区域由电极尺寸和介质阻挡放电区域之间的间距共同决定，结合泵浦功率、泵浦强度和原子浓度等综合考虑，设定电极尺寸宽度W＝5mm、长度L＝100mm；放电电极在工作过程中会发热，热量一部分来源于放电电流的加热，另一部分来源于放电区域等离子体和泵浦荧光的传导与辐照生热，通过电极冷却装置(第一电极冷却装置6A和第二电极冷却装置6B)进行制冷，可以为风冷或者水冷方式。介质阻挡层(第一介质阻挡层7A和第二介质阻挡层7B)可以选择镀膜石英或者其他绝缘材料，尺寸需要大于放电电极尺寸，以防止在上下电极边缘发生弧光放电，第一介质阻挡层9A和第二介质阻挡层9B之间的间距为D＝3mm；为了满足泵浦约束性能，在介质阻挡层朝向放电区一侧分别镀有高反射介质膜即第一高反射介质膜层8A和第二高反射介质膜层8B，所述高反射介质膜满足在大角度范围内对811nm半导体泵浦光具有高反射率(＞99.5％)，同时高反射介质膜层的最外层为固壁约束层(第一固壁约束层9A和第二固壁约束层9B)，固壁约束层应选择坚固材料如Al2O3等，能够有效抵抗等离子体区域电子轰击和活性化学物质的腐蚀；固壁约束层同样应满足在大角度范围内对811nm半导体泵浦光具有高反射率；固壁约束层、介质阻挡层和高反射介质膜层共同组成矩形泵浦约束结构。
半导体泵浦源(第一半导体泵浦源10和第二半导体泵浦源11)为由半导体巴条组成的二维面阵，波长811nm，和亚稳态氩原子1s5→2p9跃迁谱线精确对准，光谱线宽≤0.1nm(FWHM)，设定此例中泵浦总功率为15kW，通过光束整形传输装置(第一光束整形传输装置12和第二光束整形传输装置13)分别聚焦至泵浦约束结构入口处，使得入口泵浦光能够全部进入泵浦约束结构(W×D＝15mm2)内，对应入射泵浦光强度为10kW/cm2左右；泵浦光在泵浦约束结构内经过多次反射后形成长程传输，激光增益长度设计为L＝100mm(也即放电电极长度)，采用稳定腔或者非稳腔从矩形增益区域内提取能量。基于此RF-DBD放电模式，按照亚稳态氩原子浓度5×1012cm-3估算，系统能够实现的技术指标为：912nm激光输出功率10kW，光光转换效率70％，其余主要为荧光损耗和废热，其中荧光损耗一部分辐照到电极上以热的形式被冷却电极带走，气体放电和由于量子亏损导致的气相废热通过气流携带排出。
本发明通过泵浦约束结构的引入，使得泵浦光在增益介质中传输距离变长，一方面提高了增益介质对泵浦光的吸收效率，另一方面通过吸收路径的增长，降低了对放电产生的亚稳态原子浓度的要求；使用介质阻挡放电模式产生亚稳态原子，系统可以在大体积条件下进行长时间稳定放电，确保了系统稳定运行。
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