通过双波长 CH4 吸收光谱单步拟合实现二极管泵浦碱金属激光器的纵向分辨温度测量

《Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy》：Longitudinally resolved temperature measurement in diode-pumped alkali lasers via dual-wavelength CH 4 absorption spectroscopy with one-step fitting

　　

摘要 碱蒸气增益介质中的温升严重限制了二极管泵浦碱金属激光器（DPAL）和放大器（DPAAs）的输出性能。我们报道了在运行的铷DPAL和DPAA系统中首次实现的纵向空间分辨温度测量，该测量通过横向光束近红外可调谐二极管激光吸收光谱传感器实现，空间分辨率为1 mm。一种双波长一步拟合算法通过1650.9 nm和1653.7 nm处的甲烷谱线联合约束温度反演，强制共享温度参数以增强拟合的鲁棒性。静态温度测量的标准偏差为0.97 K，泵浦加载下的动态测量标准偏差为1.90 K。反演的温度分布由非对称双高斯模型参数化，与780 nm泵浦荧光强度分布定性一致。这些空间分辨的热源项为验证现有的DPAL热模型提供了定量实验约束。该双波长一步拟合算法可以方便地扩展到其他吸收光谱测温应用中。 引言 在过去的几十年中，二极管泵浦碱金属激光器（DPAL）已成为高能激光系统的有力候选者[1]，它结合了固体激光器的有效半导体泵浦和气体激光器的优异光束质量和对流传热管理[2]，[3]，[4]。另一种构型——二极管泵浦碱金属放大器（DPAA）——在保持低功率种子光相干性的同时扩展输出功率，使其适用于远距离激光雷达和自由空间光通信[5]，[6]，[7]。两种系统均运行于碱原子（K、Rb和Cs）的D1跃迁（n2P1/2 → n2S1/2），采用D2谱段二极管泵浦（n2S1/2 → n2P3/2）和缓冲气体（He、CH4或C2H6）来快速混合精细结构态并建立粒子数反转。高量子效率（Cs为95%，Rb为98.1%，K为99.6%）以及以优良光束质量扩展到高功率的可能性，使DPAL在定向能和工业应用中具有吸引力。 碱蒸气增益介质中的温升严重决定着DPAL和DPAA系统的输出性能[4]，[8]，[9]，[10]，[11]。增益介质的原子数密度直接由蒸气温度决定[12]，使得吸收、增益和提取效率强烈依赖于温度。过大的热负荷会引起功率回折和光束质量退化。这一现象的原因是较高的加热温度增加了蒸气密度从而增加了吸收，这阻碍了整个纵向光路上的高效泵浦[5]。这些热效应在静态DPAL中尤为显著，其中热沉积驱动了浮力引起的对流和非均匀密度分布，形成了难以预测的复杂纵向热场。 尽管对DPAL和DPAA中热效应的数值研究已被广泛报道[3]，[8]，[13]，[14]，[15]，[16]，[17]，[18]，[19]，[20]，[21]，[22]，但由于对非侵入式原位诊断的严格要求，实验验证仍然稀少。现有的光学技术主要产生沿纵向轴的空间积分测量。为明确起见，本文中的纵向轴指激光光轴。反演的温度代表沿光轴的视线平均值，这意味着无法沿激光光束路径获得空间分辨。Shaffer等人利用Mach–Zehnder干涉术重建了端泵铯DPAL中的二维温度图[23]，[24]，重建场的每个像素代表沿细胞轴的视线积分。Cai等人开发了一种准Hilbert变换算法用于干涉相位反演，以提取铯蒸气室中的截面温度分布[25]，同样代表纵向积分量。Zhao等人引入了钾原子吸收光谱作为示踪技术来推断脉冲铷DPAL中的温升[26]。Wang等人报道了基于甲烷的波长调制光谱（WMS）用于铷DPAL中的温升诊断[27]。我们先前的工作开发了基于频率扫描直接吸收光谱（DAS）的近红外甲烷传感器，以映射铷DPAA中的准二维径向温度分布[28]，但仍然沿纵向方向为视线平均。几项已报道的工作也在诊断领域展示了潜力[29]，[30]，[31]，[32]。尽管在横向平面上具有不同的维度性，所有这些方法都共享一个共同的局限性——缺乏沿泵浦传播轴的空间分辨率。因此，直接编码空间变化的泵浦沉积、受激发射提取和热释放的纵向温度分布，仍然在实验上不可及。 为弥补这一关键空白，我们将先前报道的近红外甲烷传感器[28]扩展为通过横向光束扫描方案在DPAL和DPAA系统中实现纵向分辨的温度测量。提出了一种双波长一步拟合算法，在单一优化循环内通过1650.9 nm和1653.7 nm处的甲烷吸收线联合约束温度反演，强制共享温度参数以增强拟合鲁棒性。该方法以1 mm空间分辨率获得纵向温度分布。实验在一台脉冲铷-DPAA和一台脉冲铷-DPAL振荡器上进行，在各种泵浦脉冲宽度、占空比和泵浦功率下开展。反演的纵向温度分布由非对称双高斯函数参数化以表征非均匀纵向热沉积，同时采集纵向泵浦荧光强度分布以与温度结果进行定性比较。 方法片段 在DAS中，Beer–Lambert定律将透射强度I_t(ν)与入射强度I_0(ν)关联为： I_t(ν) = I_0(ν)exp(?α(ν)) 其中ν是入射光波数，α(ν)是气体介质的光谱吸收，由下式计算： α(ν) = P·X·L·Σ_i S_i(T)·φ_i(ν,T)，ν∈ν_r 其中，P是局部压力，X是气体摩尔分数，L是光程长度，T是局部温度。下标i索引波数范围ν_r内的吸收线。S_i(T)是温度依赖的光谱线强度。 脉冲DPAL和DPAA系统 实验装置由两套端泵铷激光系统组成——一台放大器（DPAA）和一台振荡器（DPAL），以及一台用于纵向温度测量的横向光束近红外甲烷传感器。DPAA和DPAL的示意图分别如图2(a)和(b)所示。 两种构型中，光纤耦合的780 nm二极管阵列（半峰全宽~0.2 nm）提供泵浦。一个光学斩波器（SR540，Stanford Research Systems）具有可变占空比（DC = 1/60，1/30，1/20）。 脉冲DPAL和DPAA的输出特性 表1总结了在三种泵浦调制方案下测量的DPAL和DPAA输出功率。在每组测量中，一个参数变化而其他参数保持不变。 对于DPAL，输出功率P_out随泵浦功率单调增加，从68.4 W时的21.80 W到79.8 W时的27.90 W。将占空比从1/20减小到1/30使功率降至26.16 W，随后在1/60时边际恢复至26.75 W。将脉冲宽度从0.91 ms缩短到0.46 ms使功率提高。 结论 轴向热梯度严重决定着二极管泵浦碱金属激光器（DPALs）和放大器（DPAAs）的输出性能和运行稳定性。对这些纵向温度分布的定量表征对于理解泵浦沉积、热传输和受激发射动力学至关重要，也为验证目前仅受空间平均热源项约束的热模型提供了必要依据。 本工作报道了首次在DPAL和DPAA系统中直接测量纵向温度分布。 利益冲突声明 作者声明没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本论文中报告的工作。 李猛 | 叶军 | 王红岩 | 杨子宁 | 王瑞 | 陈爽 | 许晓军 国防科技大学交叉学科研究院，长沙410023，中国