光学泵浦的氩-氦激光介质中的碰撞动力学

《Optics & Laser Technology》：Collisional kinetics in an optically pumped argon-helium lasing medium

　　

A.P. Torbin | R.A. Kuramshin | A.K. Chernyshov | M.I. Svistun | M.V. Zagidullin | N.I. Ufimtsev | I.O. Antonov | P.A. Mikheyev

俄罗斯萨拉马拉市P.N. Lebedev物理研究所

摘要

我们提出了在375–600 K温度范围内，氩（Ar）的2p态与氦（He）原子碰撞过程中能量转移速率常数的集合，这些速率常数是相对于光泵浦氩稀有气体激光器的循环过程而言的。2p₆和2p₇态的正向速率常数是首次被测量得到的。该集合是通过激光诱导荧光技术监测这些态的时域分布来确定的。气体温度则是利用可调谐二极管激光光谱技术测量的。实验结果与动力学模型进行了比较，通过调整速率常数以达到最佳拟合效果。由于存在这种不精确性，我们需要额外的约束条件来减少可能的解的数量，我们发现使用2p态粒子数积分的比值作为这些约束条件是可行的。

引言

光泵浦稀有气体激光器（OPRGL）[1], [2], [3], [4], [5], [6] 是二极管泵浦碱金属激光器（DPAL）[7] 的动力学类似物，能够产生类似的高比激光功率，其功率可达10² W/cm^?3（如近期实验[8]所示）。OPRGL利用较重的稀有气体原子——氖（Ne）、氩（Ar）、氪（Kr）和氙（Xe），这些原子在电放电作用下被激发到能量最低的np⁵(n + 1)s态（用帕申符号表示为³P₂或1 s₅)作为激光发射态。通常使用纳秒级（约100 ns）且重复频率为数千赫兹（kHz）的脉冲放电（NRPD）[9] 来产生亚稳态。通过光泵浦将2p₉态激发到1s₅态，随后发生碰撞能量转移至2p₁₀态（即激光的 upper level），从而在2p₁₀和1s₅态之间产生激光（参见图1中的氩原子情况）。目前报道的氩OPRGL的最大输出功率为14.5 W[10]。

所有激光波长都处于大气的透明窗口范围内。在常压下，通过与氦原子的碰撞实现从泵浦态到上级激光态的快速能量转移，这使得OPRGL具有化学惰性。由于亚稳态原子被限制在放电等离子体内部，因此在激光介质与放电腔窗口之间的空间内没有光损耗，从而简化了泵浦要求。估计的OPRGL整体效率（包括放电要求）高达60% [11]。由于具有化学惰性且放电等离子体外没有光损耗，OPRGL系统相比DPAL系统具有明显优势。

优化OPRGL的性能需要了解参与激光循环过程的原子激发态之间碰撞能量转移速率常数的温度依赖性，而这些数据之前尚未被确定。这一知识非常重要，因为在中等温度下，如果泵浦辐射存在，稀有气体原子的第二低能级1s₄态的粒子数会过度积聚，从而成为系统发展的瓶颈。选择规则仅允许从泵浦态2p₉向较低级别的1s₅进行辐射能量转移，而从上级激光态2p₁₀或2p₈向1s₄的自发发射是可能的。在氩原子中，2p₈态仅比2p₉态高出155 cm^?1的能量，因此当泵浦器开启时，该态的粒子数会过度积聚。2p态的自发发射会导致放电脉冲后[Ar(1s₅]的粒子数迅速减少，从而降低激光效率。为了解决这个问题，可以采用810.4、842.5或965.8 nm的辅助泵浦光（波长与主泵浦光811.5 nm不同）[12]，以将1s₄态纳入激光循环（见图1）。使用810.4 nm的光进行额外泵浦在技术上最为方便。尽管简单加热系统也可能解决问题[13]，但如果在较高温度下1s₄ → 1s₅的碰撞能量转移速率过快，这种方法会显著增加OPRGL的设计复杂性。

本研究的目的是获取之前在[14]中确定的速率常数的温度依赖性，并找出2p₇态的这些依赖性。在实验中，我们选择性地泵浦了2p₆和2p₈态，并在375–600 K的温度范围内观察了这些p态的时域发射现象。然后，我们将实验结果与动力学模型进行比较，通过调整速率常数来使两者一致。

章节摘录

方法

速率常数是通过2p_i态的激光诱导荧光（LIF）技术测得的。为了获得速率常数的温度依赖性，需要对Ar-He混合物进行加热，并采用某种温度测量方法。在我们的实验中，通过改变NRPD的气体压力和放电电流来实现受控加热。为了测量温度，我们利用可调谐二极管激光光谱技术测量了912.3 nm Ar线的半高宽（FWHM）。

结果与分析

在我们的研究中，确定速率常数涉及解决一个逆问题，这通常是不准确的，因为存在各种实验不确定性（参见[18]及其中的参考文献）。在这种情况下，我们的目标是找到一组温度依赖的速率常数，以尽可能准确地描述实验中观察到的氩2p态粒子数的变化。这些速率常数...

结论

通过LIF技术监测这些态的时域分布，确定了在OPRGL激光循环过程中氩的2p态之间能量转移的速率常数集合。放电等离子体中的气体温度是通过可调谐二极管激光光谱技术测量的，同时测量了气体压力和912.3 nm线的线宽。

我们的技术是将实验结果与动力学模型进行比较...

CRediT作者贡献声明

I.O. Antonov: 方法论、软件设计。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。