俞航航，陳 飛，李耀彪，何 洋，潘其坤，謝冀江，于德洋，盧啟鵬

(1.中國(guó)科學(xué)院 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 激光與物質(zhì)相互作用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 光電對(duì)抗技術(shù)創(chuàng)新研究室，吉林 長(zhǎng)春 130033；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

1 引 言

半導(dǎo)體泵浦的堿金屬蒸氣激光器具有體積小、流動(dòng)性好、量子效率高、熱管理特性好等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)已經(jīng)成為激光器領(lǐng)域研究熱點(diǎn)之一，吸引眾多科研人員的關(guān)注[1-8]。2001年，美國(guó)的Krupke等人首次提出基于半導(dǎo)體激光泵浦的堿金屬蒸氣激光器的設(shè)計(jì)方案[9]，在2005年T.Ehrenreich課題組首次實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體激光泵浦銫蒸氣激光輸出[10]。經(jīng)過(guò)幾年的發(fā)展，2012年，Bogachev課題組采用雙端側(cè)面泵浦封閉循環(huán)流動(dòng)式蒸氣池，在泵浦光功率為2 kW時(shí)實(shí)現(xiàn)了最高功率為1 kW的銫蒸氣激光輸出[11]。2015年，Hurd課題組在脈沖泵浦條件下實(shí)現(xiàn)了輸出光強(qiáng)為7 MW/cm2的無(wú)烴鉀蒸氣激光器[12]。與此同時(shí)，雙光子吸收方式的堿金屬蒸氣激光器也備受研究人員的關(guān)注。采用雙光子泵浦的方式更利于將堿金屬原子激發(fā)到更高的能級(jí)，借助中間的能級(jí)實(shí)現(xiàn)可見的藍(lán)光和中波紅外激光級(jí)聯(lián)同軸輸出，避免在有雙波段激光需求時(shí)雙波長(zhǎng)合束的困境。雙波段激光輸出不僅在科學(xué)研究中有應(yīng)用需求，更為重要的是在光電對(duì)抗、激光制導(dǎo)等軍事領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景[13-19]。此外，高功率藍(lán)激光在原子物理、激光顯示及激光水下通信與探測(cè)等領(lǐng)域也有重要的應(yīng)用[20-24]。

目前，雙光子吸收的堿金屬蒸氣激光器還處于起步研究階段。本文對(duì)雙光子吸收堿金屬蒸氣激光器的工作原理、發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)和分析，最后分析和展望了雙光子吸收的堿金屬蒸氣激光器的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

2 工作原理

雙光子吸收的堿金屬蒸氣激光器的增益介質(zhì)通常有鈉(Na)、鉀(K)、銣(Rb)和銫(Cs)，4種堿金屬原子具有相似的能級(jí)結(jié)構(gòu)，也有相似的能級(jí)躍遷過(guò)程，以銣原子為例介紹其能級(jí)結(jié)構(gòu)和能級(jí)躍遷過(guò)程。堿金屬銣原子在泵浦光的作用下同時(shí)吸收兩個(gè)光子從基態(tài)能級(jí)5D躍遷到7D或者5D高能級(jí)集聚，在極短時(shí)間內(nèi)粒子數(shù)在高能級(jí)和6P能級(jí)之間形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，通過(guò)放大自發(fā)輻射的方式產(chǎn)生中紅外光子。泵浦光和中紅外光在滿足相位匹配條件k1+k2=kb+kIR，(其中k1、k2為泵浦光光矢量，其中kb、kIR分別為藍(lán)光和中紅外光的光矢量)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)波長(zhǎng)的藍(lán)光。從泵浦方式來(lái)說(shuō)，雙光子吸收堿金屬蒸氣激光器由單波長(zhǎng)泵浦和雙波長(zhǎng)泵浦兩種方式，以下從兩種方式分別介紹。

2.1 單波長(zhǎng)泵浦

圖1 銣原子單波長(zhǎng)泵浦能級(jí)躍遷圖 Fig.1 Energy level structure of single-wavelength pumped rubidium atom

單波長(zhǎng)泵浦是用單一波長(zhǎng)的泵浦光激勵(lì)堿金屬原子躍遷到相應(yīng)的能級(jí)。圖1是銣的能級(jí)結(jié)構(gòu)圖，基態(tài)銣原子同時(shí)吸收兩個(gè)波長(zhǎng)為761 nm的光子躍遷到72D1/2能級(jí)，或者同時(shí)吸收778.1 nm或778.2 nm的泵浦光躍遷到5D能級(jí)，粒子數(shù)在高能級(jí)(7S或5D)和6P能級(jí)之間形成反轉(zhuǎn)，原子會(huì)通過(guò)自發(fā)輻射的方式發(fā)射一個(gè)中紅外光躍遷到6P3/2和6P1/2能級(jí)，堿金屬蒸氣中的四波混頻效應(yīng)使6P能級(jí)的粒子躍遷發(fā)出422 nm和420 nm的藍(lán)光。堿金屬原子能級(jí)有相似的結(jié)構(gòu)，銫原子能級(jí)躍遷與銣原子有相似的過(guò)程。

2.2 雙波長(zhǎng)泵浦

雙波長(zhǎng)泵浦是用兩個(gè)波長(zhǎng)的激光激勵(lì)堿金屬原子躍遷到高能級(jí)。同樣以銣原子為例，圖2是銣原子在兩個(gè)波長(zhǎng)激光器泵浦條件下躍遷到5D能級(jí)和7S能級(jí)的示意圖。銣原子吸收一個(gè)780 nm光子躍遷到5P能級(jí)，然后再吸收一個(gè)776 nm的光子從5P能級(jí)躍遷到5D能級(jí)或者吸收741 nm的泵浦光躍遷到7S能級(jí)，極短時(shí)間內(nèi)在5D或7S能級(jí)和6P能級(jí)之間形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，輻射出一個(gè)中紅外波長(zhǎng)的光子躍遷回到6P1/2和6P3/2能級(jí)，最后通過(guò)四波混頻效應(yīng)輻射出一個(gè)藍(lán)光的光子回到基態(tài)。

圖2 銣原子雙波長(zhǎng)泵浦能級(jí)躍遷圖 Fig.2 Energy level structure of double-wavelength pumped rubidium atom

3 雙光子吸收的堿金屬蒸氣激光器研究進(jìn)展

3.1 國(guó)外研究進(jìn)展

雙光子吸收堿金屬蒸氣激光器的研究始于上世紀(jì)60年代，但一直受限于缺少合適的泵浦源，堿金屬蒸氣作為增益介質(zhì)的激光器研制工作進(jìn)展緩慢。新世紀(jì)以來(lái)，伴隨著窄線寬、高功率激光器的快速發(fā)展，研究人員的目光又重新聚焦到堿金屬蒸氣激光器的研究上。2002年，美國(guó)的A.S.Zibrov課題組用相干光場(chǎng)的麥克斯韋方程組描述雙光子吸收堿金屬蒸氣激光器的躍遷和吸收過(guò)程[25]。用非線性光學(xué)理論解釋了泵浦光失調(diào)頻率時(shí)藍(lán)光光強(qiáng)變化的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。當(dāng)泵浦光頻率接近于原子的拉比頻率時(shí)，堿金屬蒸氣有最大的增益系數(shù)。

雙光子吸收的堿金屬蒸氣激光器可以級(jí)聯(lián)輸出藍(lán)光和中紅外激光。目前受限于堿金屬窗口材料，大部分文獻(xiàn)以藍(lán)紫激光研究為主。2006年，澳大利亞T. Meijer課題組首次用雙波長(zhǎng)泵浦銣蒸氣裝置研究泵浦光頻率失調(diào)量對(duì)藍(lán)光特性的影響[26]。裝置如圖3所示，功率約20 mW的780 nm和776 nm兩束泵浦光通過(guò)分光棱鏡入射到銣蒸氣池A和參考蒸氣池B(70 ℃)中，蒸氣池B用于確定776 nm光的頻率失調(diào)量，輸出藍(lán)光的線寬和功率分別用法布里-珀羅腔和光電倍增管檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)蒸氣池A溫度為200 ℃，780 nm的光頻率偏移為2 GHz時(shí)，藍(lán)光最大功率為40 μW，此時(shí)776 nm的光頻率偏移為-2 GHz。由于蒸氣池對(duì)泵浦光的吸收率很低，光-光效率只有0.1%。

圖3 頻率失調(diào)量對(duì)藍(lán)光特性影響實(shí)驗(yàn)裝置示意圖 Fig.3 Schematic diagram of the experimental device of frequency offset effect on the characteristics of blue light

澳大利亞斯威本科技大學(xué)的Akulshin等人對(duì)雙波長(zhǎng)泵浦銣蒸氣激光器開展了廣泛的研究。2009年,該課題組用圖4裝置研究銣蒸氣的出光特性[27]，雙波長(zhǎng)780 nm和776 nm的泵浦功率分別為20 mW和15 mW，激光線寬為1 MHz，蒸汽池長(zhǎng)度為5 cm。其中780 nm泵浦光頻率由參考蒸氣池監(jiān)測(cè)(圖中未標(biāo)識(shí)出)，776 nm泵浦光頻率由法布里-珀羅腔控制，兩束光的偏振由一個(gè)1/4波片和1/2波片調(diào)節(jié)，產(chǎn)生的藍(lán)光通過(guò)濾光片和分束片由光電倍增管(PMT)測(cè)出功率和CCD檢測(cè)光斑形狀。實(shí)驗(yàn)主要研究了堿金屬原子密度、泵浦光偏振等因素對(duì)藍(lán)光輸出功率的影響，測(cè)得了相干藍(lán)光出現(xiàn)對(duì)應(yīng)最小的原子密度約為1.7×1011cm-3，而且隨著堿金屬原子密度增大，藍(lán)光輸出功率快速增大，但在原子密度大于1×1012cm-3時(shí)，藍(lán)光功率出現(xiàn)了飽和。通過(guò)波片改變兩束泵浦光的入射偏振態(tài)，分別以互相平行的線偏振(linear parallel)，互相平行的圓偏振(circular parallel)和互相正交的圓偏振(circular orthotropic)3種狀態(tài)入射，得到泵浦光偏振態(tài)與藍(lán)光功率之間的關(guān)系，如圖5所示?；ハ嗥叫械膱A偏振光對(duì)應(yīng)于最高的藍(lán)光輸出功率，功率最小的是正交的圓偏振光，互相正交圓偏振條件下產(chǎn)生的藍(lán)光功率僅為平行圓偏振的1/10，平行線偏振光所產(chǎn)生的藍(lán)光功率也為正交圓偏振光狀態(tài)下的3倍。

圖4 雙波長(zhǎng)激光泵浦銣蒸氣實(shí)驗(yàn)裝置圖 Fig.4 Schematic diagram of experimental device of double-wavelength pumped rubidium vapor

圖5 泵浦光偏振與藍(lán)光功率關(guān)系圖 Fig.5 Relationship betweeen pump light polarization and blue laser power

2012年，該課題組在此實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上又創(chuàng)新性地引入波長(zhǎng)為795 nm的激光調(diào)控銣原子從5S1/2(F=2或F=3)到5P1/2(F=3)躍遷[28-29]。能級(jí)躍遷和裝置示意圖如圖6所示，泵浦光780 nm和776 nm功率分別為7 mW和11 mW，795 nm波長(zhǎng)功率小于6 mW。其它實(shí)驗(yàn)條件不變，當(dāng)引入795 nm泵浦光時(shí)，泵浦光波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)于銣原子5S1/2(F=2)到5P1/2(F=3)躍遷，藍(lán)光出光功率為原來(lái)未引入時(shí)的兩倍；而當(dāng)795 nm泵浦光波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)于銣原子5S1/2(F=3)到5P1/2(F=3)躍遷時(shí)，藍(lán)光出光功率降為未引入時(shí)的一半。通過(guò)微調(diào)795 nm波長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)藍(lán)光功率的調(diào)控。

圖6 在銣原子中引入795 nm激光能級(jí)躍遷及部分實(shí)驗(yàn)裝置示意圖 Fig.6 Energy level structure of the rubidium atom and part of the experimental device when the 795 nm laser is introduced

2012年，英國(guó)G.Walker課題組用雙波長(zhǎng)泵浦的銣蒸氣實(shí)驗(yàn)裝置研究了渦旋光束在堿金屬蒸氣中的傳遞過(guò)程[30]，裝置如圖7所示。兩束泵浦光780 nm和776 nm通過(guò)空間光調(diào)制器(SLM)產(chǎn)生各種拉蓋爾-高斯模式入射到銣蒸氣中，蒸氣溫度為120 ℃。為使蒸氣的克爾透鏡效應(yīng)降到最低，兩束泵浦光頻率失調(diào)量調(diào)整到Δ780=-Δ776=1.6 GHz。實(shí)驗(yàn)通過(guò)藍(lán)光和紅外光干涉圖樣發(fā)現(xiàn)在每一個(gè)非零階的拉蓋爾-高斯模式下，藍(lán)光以渦旋光束的形式輸出，泵浦光所有的軌道角動(dòng)量全部轉(zhuǎn)移到藍(lán)光上。2016年，澳大利亞Akulshin課題組在關(guān)于雙光子吸收的堿金屬激光的軌道角動(dòng)量傳輸特性研究中同樣有重要發(fā)現(xiàn)[31]。首先，雙波長(zhǎng)泵浦的堿金屬光源中泵浦光中的軌道角動(dòng)量會(huì)全部轉(zhuǎn)移到相干藍(lán)光上；其次，堿金屬原子密度和泵浦光強(qiáng)在大范圍內(nèi)變化時(shí)依舊遵循軌道角動(dòng)量守恒。另外，如果兩個(gè)泵浦光帶有相同數(shù)量而且相反符號(hào)的拓?fù)浜?，產(chǎn)生的藍(lán)光是無(wú)渦旋特性的。研究結(jié)果說(shuō)明堿金屬蒸氣四波混頻過(guò)程中軌道角動(dòng)量是守恒的，通過(guò)這種方式可以實(shí)現(xiàn)新波長(zhǎng)渦旋光場(chǎng)的產(chǎn)生，具有重要的科研和實(shí)用價(jià)值。2017年，韓國(guó)浦項(xiàng)科技大學(xué)課題組通過(guò)銣蒸氣的四波混頻研究產(chǎn)生藍(lán)光光場(chǎng)的二階相干性[32]。課題組同樣用780 nm和776 nm兩個(gè)波長(zhǎng)光源泵浦銣蒸氣，通過(guò)改變兩個(gè)泵浦光源特性分別以激光光源、熱光光源組合進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)所產(chǎn)生的準(zhǔn)直藍(lán)光具有優(yōu)良的光強(qiáng)相干性，而且光強(qiáng)相干性與兩泵浦光的光源特性有直接關(guān)系，泵浦光源的相干性會(huì)傳遞到藍(lán)光的二階相干性上。該特性和軌道角動(dòng)量特性都與泵浦源密不可分，這些研究說(shuō)明四波混頻中堿金屬原子具有極強(qiáng)的原子相干特性。

圖7 渦旋光束在堿金屬蒸氣傳遞示意圖 Fig.7 Transmission of the vortex beam in alkali vapor

表1總結(jié)了文獻(xiàn)中有代表性的雙光子吸收堿金屬蒸氣激光器的研究成果。

表1 雙光子吸收堿金屬蒸氣激光研究成果

目前雖然對(duì)中紅外光特性的研究相對(duì)較少，但中紅外光在藍(lán)光的產(chǎn)生過(guò)程中有非常重要的作用，可以為揭示藍(lán)光的產(chǎn)生機(jī)理提供更多的信息。2014年，澳大利亞Budker課題組用圖4所示的銣蒸氣實(shí)驗(yàn)裝置研究了中紅外光的光強(qiáng)和頻移特性[37]。泵浦光780 nm和776 nm功率分別為15 mW和5 mW，用藍(lán)寶石材料作為蒸氣池窗口提升中紅外光透過(guò)率。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)中紅外光的光強(qiáng)和頻移量與第一步激發(fā)(將銣原子從基態(tài)激發(fā)到第一激發(fā)態(tài)5P能級(jí))的泵浦光功率有重要的關(guān)系，中紅外激光的頻移量會(huì)隨第一步激發(fā)的泵浦光功率的增大而增大。

隨后在2016年，該課題組研究了中紅外光在不同激發(fā)方式時(shí)的光譜特性[38]。實(shí)驗(yàn)裝置不變的基礎(chǔ)上，只改變兩泵浦光相對(duì)傳輸方向。實(shí)驗(yàn)對(duì)比了兩種激發(fā)方式的中紅外光譜特性，一種是兩束泵浦光同向泵浦，多普勒效應(yīng)的存在會(huì)將特定速率的粒子激發(fā)到高能級(jí)，激發(fā)的粒子具有速度選擇性；另一種是兩束泵浦光反向泵浦，消多普勒頻移效應(yīng)會(huì)將多種速率的粒子激發(fā)到高能級(jí)。消多普勒頻移的激發(fā)方式產(chǎn)生的中紅外光有更窄的線寬和更高的光強(qiáng)。2017年，該課題組對(duì)兩種泵浦激發(fā)方式產(chǎn)生的中紅外光特性展開深入研究[39-40]。首先實(shí)驗(yàn)組通過(guò)巧妙的設(shè)計(jì)，在不另外引入中紅外光源的情況下，通過(guò)蒸氣池內(nèi)壁對(duì)所產(chǎn)生中紅外光的部分反射和雙波長(zhǎng)泵浦源的小角度傾斜入射，實(shí)現(xiàn)速度選擇激發(fā)和消多普勒頻移激發(fā)產(chǎn)生中紅外光特性的對(duì)比研究。研究發(fā)現(xiàn)消多普勒頻移激發(fā)方式產(chǎn)生的中紅外光在光譜和空間分布有明顯的不同，其線寬更窄，產(chǎn)生的光強(qiáng)更大，因此相比于速度選擇激發(fā)，消多普勒頻移激發(fā)對(duì)相干藍(lán)光的產(chǎn)生達(dá)到幾倍增幅。同年課題組在前期研究的基礎(chǔ)上[28-29]，通過(guò)引入795 nm波長(zhǎng)激光研究?jī)煞N激發(fā)方式對(duì)中紅外光的影響[40]。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)795 nm激光對(duì)速率激發(fā)方式影響更大。隨后驗(yàn)證了中紅外激光同樣具有光強(qiáng)的飽和效應(yīng)，其光強(qiáng)隨泵浦光的增加，增長(zhǎng)速率降低，與此同時(shí)，銣原子密度變化也會(huì)出現(xiàn)類似的飽和效應(yīng)。

3.2 國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展

2013年，中科院大連化物所譚彥楠等人首次用單一波長(zhǎng)的染料激光器泵浦銣原子，產(chǎn)生波長(zhǎng)為420 nm的藍(lán)光[41]。實(shí)驗(yàn)裝置如圖8所示，用固體激光器抽運(yùn)的染料激光器產(chǎn)生波長(zhǎng)為778.1 nm的激光，脈沖抽運(yùn)光參數(shù)如下：脈寬為8 ns、重復(fù)頻率為10 Hz、單脈沖能量最高可達(dá)20 mJ、線寬為2 GHz、光斑直徑為4 mm、發(fā)散角為1 mrad。由于藍(lán)光的光強(qiáng)過(guò)弱沒有測(cè)得藍(lán)光輸出功率。

圖8 國(guó)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)雙光子吸收堿金屬蒸氣激光輸出的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖 Fig.8 Schematic diagram of experimental device of two-photon absorption alkali vapor laser output realized in the domestic for the first time

隨后，2015年，中科院大連化物所與長(zhǎng)春理工大學(xué)合作，用同樣的裝置研究堿金屬蒸氣池溫度，泵浦光的的脈沖能量對(duì)藍(lán)光出光功率和效率的影響[42]。染料激光器波長(zhǎng)為778.1 nm，線寬為3 GHz，蒸氣池長(zhǎng)度為45 cm，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)蒸氣池溫度為170 ℃，泵浦光脈沖功率為0.85 mJ/pluse時(shí)，脈沖藍(lán)光的能量轉(zhuǎn)換效率最高，超過(guò)1%。

圖9 銫原子能級(jí)躍遷及2.42 μm激光對(duì)非線性過(guò)程調(diào)控示意圖 Fig.9 Transition of cesium atom energy level and the control for nonlinear process by 2.42 μm laser

2016年，中科院大連化物所譚彥楠等人在單波長(zhǎng)泵浦銫蒸氣裝置基礎(chǔ)上增加了2.42 μm的激光對(duì)銫蒸氣非線性過(guò)程進(jìn)行調(diào)控[43]。能級(jí)躍遷和裝置如圖9所示，染料激光輸出波長(zhǎng)為767.2 nm，脈寬為2.5 ns，線寬為0.1 cm-1，重復(fù)頻率10 Hz，2.42 μm激光脈寬同樣為2.5 ns，線寬為0.2 cm-1，重復(fù)頻率為10 Hz。控制脈沖能量約為0.1 mJ/pluse的2.42 μm激光關(guān)閉時(shí)，會(huì)存在與高能級(jí)粒子數(shù)有競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系的455.6 nm藍(lán)光與387.7 nm藍(lán)紫光同時(shí)輸出；控制脈沖能量約為0.1 mJ/pluse的2.42 μm激光打開時(shí)，455.6 nm藍(lán)光的光強(qiáng)明顯隨之增強(qiáng)，387.7 nm藍(lán)紫外光強(qiáng)被抑制，以至于無(wú)法測(cè)出。由于455.6 nm藍(lán)光與387.7 nm藍(lán)紫光存在粒子數(shù)競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，用2.42 μm激光很好地實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸出藍(lán)光波長(zhǎng)的調(diào)制。

4 影響因素分析

4.1 堿金屬原子密度影響特性

堿金屬粒子數(shù)密度對(duì)藍(lán)光的出光功率具有重要的影響。澳大利亞Akulshin課題組[27]、美國(guó)E.Brekke課題組[44]以及大連化物所和長(zhǎng)春理工大學(xué)合作的譚彥楠等人[42]在實(shí)驗(yàn)中都有發(fā)現(xiàn)，在原子密度相對(duì)較小時(shí)(N<1×1015cm-3)，輸出相干藍(lán)光功率隨原子密度線性增大；當(dāng)原子密度增大時(shí)，輸出光功率增長(zhǎng)速率顯著降低，最后出現(xiàn)功率飽和現(xiàn)象。目前分析有兩個(gè)方面的原因：首先，溫度的變化導(dǎo)致在四波混頻過(guò)程中泵浦光吸收系數(shù)和增益系數(shù)發(fā)生變化；其次，泵浦光的光斑不均勻性以及束腰位置偏離蒸氣池中心等因素，導(dǎo)致了蒸氣池前后端對(duì)泵浦光的吸收不均勻，蒸氣池末端對(duì)產(chǎn)生的藍(lán)光再吸收增大，出光功率達(dá)到飽和。原子密度對(duì)出光效率的影響仍需要繼續(xù)研究，在改變?cè)用芏鹊耐瑫r(shí)需要避免溫度變化對(duì)測(cè)量產(chǎn)生影響。

4.2 泵浦光偏振影響特性

泵浦光的偏振狀態(tài)直接影響到藍(lán)光產(chǎn)生效率，泵浦光的不同偏振狀態(tài)對(duì)藍(lán)光效率的影響相差很大[27]。這是由于泵浦光的偏振狀態(tài)和原子基態(tài)精細(xì)能級(jí)有密切關(guān)系[45]。當(dāng)兩束泵浦光為相同圓偏振光時(shí)，處于上能級(jí)的粒子有很大的幾率躍遷回到最初泵浦的基態(tài)精細(xì)能級(jí)，構(gòu)成了一個(gè)粒子數(shù)循環(huán)過(guò)程，對(duì)應(yīng)于輸出的藍(lán)光有最大的效率；而泵浦光為互相垂直的圓偏振光時(shí)，上能級(jí)粒子向原子基態(tài)另一個(gè)精細(xì)能級(jí)躍遷的幾率會(huì)大幅度增強(qiáng)，打破了原有的粒子數(shù)循環(huán)過(guò)程，降低了藍(lán)光的輸出功率。

4.3 調(diào)控激光影響特性

調(diào)控激光對(duì)輸出光效率的影響分為兩種方式，第一種是中科院大連化物所譚彥楠等人用四波混頻中所需的中紅外光來(lái)對(duì)藍(lán)光光強(qiáng)的調(diào)控；另一種是采用其它波長(zhǎng)的激光實(shí)現(xiàn)對(duì)藍(lán)光光強(qiáng)的調(diào)控。第一種方式通過(guò)引入2.42 μm激光提高了455.6 nm藍(lán)光的增益系數(shù)，因此在與387.7 nm藍(lán)紫光的粒子數(shù)競(jìng)爭(zhēng)中占有優(yōu)勢(shì)。第二種方式通過(guò)引入波長(zhǎng)795 nm的激光，既可以將銣原子基態(tài)F=2的粒子通過(guò)5P1/2能級(jí)向基態(tài)的輻射躍遷過(guò)程，最大程度的轉(zhuǎn)移到F=3能級(jí)，進(jìn)一步提高非線性光學(xué)轉(zhuǎn)換效率；另外還可以通過(guò)速率選擇激發(fā)原理，通過(guò)微調(diào)795 nm的頻率失調(diào)量來(lái)產(chǎn)生特定速率的粒子，用以補(bǔ)償基態(tài)F=3精細(xì)能級(jí)的粒子相對(duì)于5S1/2到5P3/2能級(jí)躍遷的頻率失調(diào)量。不僅如此，通過(guò)微調(diào)795 nm的激光波長(zhǎng)(5S1/2(F=3)→5P1/2)同樣可以使藍(lán)光的光強(qiáng)減少。這種通過(guò)激光波長(zhǎng)改變粒子在基態(tài)不同精細(xì)能級(jí)分布的方式，為研究出光功率的調(diào)控特性提供了一個(gè)新思路。

5 展 望

目前，雙光子吸收的堿金屬激光還處于起步階段，堿金屬蒸氣介質(zhì)對(duì)泵浦光的吸收率低，輸出光的功率和效率較低。提升吸收效率，實(shí)現(xiàn)高光束質(zhì)量和高功率的激光輸出是未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。可以通過(guò)以下幾種技術(shù)路線實(shí)現(xiàn)高功率的激光輸出。

(1)增加諧振腔。目前功率較低的原因之一是堿金屬蒸氣對(duì)泵浦光吸收不足，諧振腔通過(guò)鍍膜的方式可以極大地提高泵浦光的吸收效率，同時(shí)還可以改善激光模式。

(2)充入緩沖氣體。緩沖氣體有助于增寬吸收譜線，實(shí)現(xiàn)堿金屬介質(zhì)和泵浦光之間線寬匹配，提高吸收效率。

(3)側(cè)面泵浦結(jié)構(gòu)。端面泵浦結(jié)構(gòu)會(huì)增加諧振腔鍍膜難度，在高功率下也會(huì)受限于注入功率無(wú)法提高、熱效應(yīng)嚴(yán)重等因素，側(cè)面泵浦結(jié)構(gòu)可以較好地避免這些問題。

6 總 結(jié)

本文詳細(xì)地從堿金屬原子密度，泵浦光的功率、偏振和頻率失調(diào)量以及調(diào)控激光等方面概述了雙光子吸收的堿金屬激光的發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)工作原理和存在的問題及發(fā)展前景進(jìn)行分析。雙光子吸收的堿金屬激光器以其優(yōu)越的特性必將會(huì)在未來(lái)有重要的發(fā)展與應(yīng)用。