摘要碱金属蒸气激光器具有高量子效率且易于流动散热，显示出良好的发展潜力。概述了光抽运碱金属蒸气激光器的基本原理和国内外的研究进展。对于其在发展中遇到的问题进行了简要分析，并总结了目前所采用的相应解决方案，指出了几种方案所存在的优、缺点。对碱金属蒸气激光器未来可能的研究方向进行了展望。
关键词激光器；碱金属蒸气激光器；缓冲气体；半导体抽运碱金属激光器；复合受激态抽运碱金属激光器
1 引言
以碱金属原子饱和蒸气为激光增益介质的碱金属蒸气激光器，量子效率理论上可达90 %以上，极大地减少废热的产生，与一般固体激光介质相比，废热可减少80 %以上；同时，碱金属蒸气是流体，易于进行高效冷却，快速带走废热。因此，碱金属激光器具有很好的发展前景。由于碱金属激光波长与大气传输窗口匹配，并且位于近红外电荷耦合元件(CCD)的敏感波段，在国防上具有重要的应用价值，因此受到各国研究人员的广泛关注，成为激光器领域一个新的研究方向与热点。早在1962 年Rabinowitz 等[1]就报道了光抽运铯(Cs)激光器，但是受到激光器技术发展的限制，并未得到更进一步的进展。2003 年美国利弗莫尔国家实验室的Krupke 等[2-4]提出了使用半导体抽运碱金属蒸气激光器(DPAL)的概念, 并采用钛蓝宝石激光器代替半导体做碱金属铷(Rb)的抽运源，得到了波长为795 nm 的激光。2005 年该实验室实现了真正的半导体抽运碱金属激光器，输出功率约1 mW。近些年来随着半导体抽运源技术的逐渐发展和成熟，碱金属激光器得到了快速的发展，到目前为止最高输出功率已达到1 kW。
2 基本原理
中性碱金属原子最外层只有一个价电子，具有相似的能级结构，2S1/2为基态能级，2P1/2和2P3/2为自旋-轨道相互作用而劈裂的激发态能级基态能级2S1/2向激发态能级2P3/2跃迁，对应于抽运光D2谱线；然后激发态能级2P3/2 的粒子快速驰豫到激光上能级2P1/2，从而实现能级间粒子数反转；当激光上能级2P1/2 的粒子跃迁回到基态能级2S1/2时，产生激光辐射，对应于D1谱线(见图1)。
但是碱金属原子锂(Li)和钠(Na)的能级间隔很小(见表1)，难以实现有效的粒子数反转，因此目前人们感兴趣的主要集中在钾(K)、Rb 和Cs 碱金属元素。K 的量子效率为99.6 %，而Rb 和Cs 的分别为98.1 %和95.3%。
然而为了实现高功率高效率的碱金属激光输出，需要解决以下问题：1)抽运源线宽和原子吸收线宽不匹配问题，碱金属原子D2 线的多普勒线宽非常窄，为皮米量级，如在T=373 K 时，K、Rb 和Cs 的多普勒线宽分别为1.64、1.16、1.02 pm；而现在的半导体激光器输出激光线宽大多在2 nm 左右，难以实现有效抽运，目前主要的解决办法是压窄抽运源的线宽同时采用氦(He)等缓冲气体适当展宽碱金属的吸收线宽；2）激光上能
级粒子数的弛豫速率小的问题。2P3/2能级上的粒子必须快速跃迁到2P1/2能级以抑制自发辐射，实现有效的能级粒子数反转。目前采用的主要解决方法是加入甲烷(CH4)、乙烷(C2H6)等烃类气体来实现上能级的快速弛豫；3）上能级粒子数能量的高效提取，通常采用合理的抽运结构使激光和抽运光的重叠区域最大化来实现。此外，高功率运转时，热效应问题、缓冲气体的稳定性问题、碱金属其他能级的影响、抽运光和激光的相干效应、碱金属的离子化问题等都是需要进一步探索研究的问题。目前国内外针对碱金属激光器的研究大都集中在上述问题上并获得了较大的进展。
3 国外碱金属激光器的研究进展
3.1 窄线宽可调谐激光抽运的碱金属激光器
最早开始研究碱金属蒸气激光器时，研究人员大多采用谱宽很窄的可调谐掺钛蓝宝石激光器[1,3,5-8]或染料激光器代替半导体激光器作为抽运光源，进行验证性实验，并且以端面抽运结构为主，以实现碱金属原子对抽运光的高效吸收。2003 年美国利弗莫尔国家实验室Krupke 等[2]利用功率为500 mW 连续输出的钛蓝宝石激光器做抽运源(见图2)，抽运光波长780 nm，线宽为50 GHz，池内充入69825 Pa 的He、9975 Pa C2H6和Rb 蒸气，系统工作温度维持在(120±1) ℃。实验得到波长为795 nm，功率为30 mW 的接近衍射极限的线偏振激光输出，激光器的斜率效率约为54%。实验结果显示,虽然钛蓝宝石激光器的输出激光线宽比经碰撞加宽的碱金属原子的洛伦兹线宽4 倍，但仍有大于39 % 的抽运功率被工作物质吸收。
美国空军军官学校的Zhdanov 等[5-6]于2006 年采用谱宽200 kHz 的掺钛蓝宝石激光器端面抽运Cs 蒸气[见图3(a)]。该实验充分优化了抽运结构、工作温度和耦合输出率等参量，斜率效率高达81%、实现了光-光转换效率为63 % 的0.35 W 高效激光输出[见图3(b)]。实验获得的效率已十分接近最大的理论斜率效率85.8 %，这是碱金属激光器研究到目前为止获得的最高斜率效率。文献[6-7]介绍了可调谐环状Cs 激光器，如图4(a)所示。2 cm 的腔内充有Cs 蒸气和79800 Pa 的C2H6(20 ℃ )，炉内工作温度保持在87 ℃ 。在两个平面镜之间放置一个光学二极管确保激光透射的单向性；使用自由光谱范围为20.7 GHz 的F-P 标准具选择波长；腔镜M3通过压电传感器进行调谐。实验获得线宽为3.3 MHz 且最大输出功率为80 mW 的单纵模激光输出，其斜率效率为36 %，如图4(b)所示。
2010 年，Sulham 等[8]报道了利用窄线宽染料激光器双光子抽运碱金属获得了蓝光输出。染料激光重复频率为10 Hz，脉冲能量为100 mJ，脉宽为4 ns，线宽为16 GHz，Rb 蒸气池温度为175 ℃~250 ℃，未充入任何缓冲气体，获得了8 mJ 的蓝光激光输出。2011 年Zameroski 等[9]分别以Rb-CH4和Rb-CH4-He 作为激光介质，数值模拟出抽运光谱宽度、Rb 的原子密度、能级混合速率和抽运功率密度对输出激光的影响，并进行了验验证。实验以钛蓝宝石脉冲激光器作为抽运光源，其重复频率是10 kHz，脉冲宽度为100 ns，抽运线宽50 GHz，碱金属蒸气增益池窗口采用布儒斯特窗结构，长度为12.7 cm。抽运功率密度为120 kW/cm2时，实验得到斜率效率为72%~76% 的脉冲激光输出，并测得M2值在衍射极限的10~20 倍之间。实验得到的结果与数值模拟的结论能够很好地吻合。
3.2 窄线宽半导体激光器抽运的碱金属蒸气激光器
3.2.1 端面抽运结构
窄线宽钛宝石激光器抽运碱金属的一系列实验，为研究人员实现半导体抽运碱金属激光器奠定了实验基础。2005 年利弗莫尔实验室使用多模半导体激光抽运Rb 蒸气，首次实现了真正的半导体抽运碱金属激光器，输出激光约1 mW[10-11]，这是碱金属激光器领域里程碑式的进展。但实验中的斜率效率小于10%，远小于窄线宽钛蓝宝石激光器抽运碱金属时得到的81%的斜率效率，其原因在于半导体激光器的输出线宽远大于碱金属原子的吸收线宽。同年该实验室第一次实现了多模半导体抽运的Cs 蒸气激光器。随着研究人员增大抽运功率和对激光器抽运结构的优化，DPAL 的输出功率和激光器效率得到了不断的提高。
为了获得更高抽运密度从而得到更高碱金属输出功率，研究人员采用了多路抽运的方式。2008 年，Zhdanov 等[12]采用半导体端面四路抽运Cs 蒸气[见图5(a)]。实验光路中加入两个45°的双色镜(DM)，用来分离激光和抽运光。抽运光在脉宽为100 ms、重复频率为1 Hz 的脉冲模式下工作，光谱宽度为10 GHz，每路抽运光的最大输出功率为25 W；加宽后的Cs 蒸气的吸收谱宽为12 GHz，脉冲激光输出的最大功率为48 W，光-光转换效率为49%[见图5(b)]。抽运光在连续模式下工作时，由于热效应非常明显(蒸气池的边缘与中心温差在300℃)使得实验测得的结果偏离直线，呈现下滑趋势。
为了降低端面抽运结构存在的热负载等问题的影响和提高激光输出功率，Zhdanov 等[13-15]于2008 年报道了主振荡功率放大器(MOPA)结构的碱金属激光系统，实验光路如图6(a)所示。输入种子光10 mW，放大器抽运功率为18 W，实验得到小信号增益系数为2.5 cm-1，功率放大因子为21.6 dB[见图6(b)]。同年美国空军武器实验室和波音公司[16]也报道了单级放大MOPA 结构碱金属激光系统的研究结果，得到小信号增益系数0.91 cm-1，功率放大因子为7.9 dB。
为了解决烃类气体和碱金属反应生成的碳对激光窗口的污染问题，研究人员提出了无烃碱金属蒸气激光器仅用Rb - He 蒸气作为增益介质[17-19]，利弗莫尔实验室于2010 年研究了高功率半导体激光器阵列抽运Rb-He 体系碱金属激光器[18-19] (见图7)。加入He 将Rb 的吸收线宽加宽到0.06 nm，利用线宽为0.2 nm 的千瓦级半导体激光器进行抽运。通过微通道水冷的方法对蒸气池进行温度控制，激光头设计采用布儒斯特角 结构以降低损耗，实验得到了更加稳定和更高功率的激光输出。他们同时进行了两种实验：1)采用脉冲宽度为1 ms、重复频率为140 Hz(占空比为14 %)和峰值功率为2200 W 的脉冲光进行抽运，得到了峰值功率为207 W 的激光输出；2)采用功率为1280 W 连续光抽运，得到130 W 连续激光输出，如图8 所示。虽然此种方案得到了较高的输出功率，但是激光器效率较低，这是因为Rb 的吸收线宽和抽运光的线宽相差较大的原
在2012 年，Bogachev 等[20]报道了目前国际上最高输出功率的碱金属蒸气激光器。工作物质采用的是He-CH4-Cs 的混合物质，它们被封闭在一个闭循环腔体内，采用双侧端面抽运的结构[见图9(a)]。此实验并没有使用与外界进行热交换的方式加热蒸气池内的碱金属工作物质，而是采用抽运激光直接加热的方法。
3.2.2 侧面抽运结构
碱金属激光器采用端面抽运结构时，抽运光与输出激光共轴，具有热效应严重等问题[16]，研究人员提出了侧面抽运碱金属蒸气激光器的设想。Zhdanov 等[21]于2008 年进行了碱金属激光器的侧面抽运的实验研究，如图10 所示。封装气体介质的容器置于圆柱形漫反射腔中，其上开有狭缝以接受抽运辐射。半导体抽运源总共采用15 个模块，每个模块最大输出功率为15 W，每3 个模块作为一组，为了避免激光器运转时产生
过强的热效应而采用脉冲方式抽运，激光器的斜率效率为15 %，光-光转换效率为14 %(见图11)。该结果远低于端面抽运结构的效率，其主要原因是激光模体积与抽运光模体积相差较大，导致大部分的抽运光没有抽运光功率为2 kW 时，得到了最高激光输出功率1 kW，光-光转换效率为48% ，如图9(b)所示。因。如果再继续加入He，就会出现高压电离等问题，所以目前此种方案的研究报道较少。
被充分利用。研究人员采用非稳定腔结构来增大激光模体积，此种方案可以进一步提高提取效率[22]，如图12 所示。该实验采用脉宽500 ms、重复频率20 Hz 的脉冲半导体激光器阵列作为抽运源，抽运光在通过狭缝时仅有25 %的损耗。实验数据显示激光器的斜率效率达到43 %，在157 W 有效抽运功率下激光器的最大输出功率为49 W，最大光-光转化效率为31 %，很明显此实验方案可以得到更高的效率。这种结构可以从双侧
进行抽运和流动冷却，对半导体抽运源功率密度要求大大降低，且抽运光与输出激光不共线，既可减轻光学元件的负担又可避免额外的腔内损失，因此侧面抽运的方案已受到越来越多的关注。美国空军武器实验室已于2009 年与通用公司开始共同研制高功率侧面抽运碱金属蒸气激光器。
5 总结和展望
从近十年来研究人员对各种碱金属激光器研究中，可以归纳出以下几种主要技术路线：
1) 窄线宽可调谐激光器抽运的碱金属激光器。此类研究主要是采用窄线宽的可调谐激光器（钛宝石激光或染料激光）作为抽运源，利用其高峰值功率和窄线宽的特点对碱金属激光器的基本原理和基础数据进行验证和分析，其目的是为将来实现半导体激光抽运的高功率碱金属激光器提供基本数据和实验验证。
2) 窄线宽半导体激光抽运的碱金属激光器。此类方案中一般将半导体激光的线宽压缩至0.3 nm 以内，但是仍大于碱金属的吸收线宽，同时在蒸气池中充入几万帕的He 将碱金属吸收线宽展宽至~0.02 nm，并充入C2H6或CH4等烃类气体提高精细能级的混合速率。这种技术方案相对容易实现激光输出，是目前主流的技术方案。但此方案对半导体激光器的线宽压窄技术提出了很高的要求，在实现窄线宽输出的同时，又要能精确调谐波长，使其对准碱金属的吸收谱，同时还对抽运源的稳频提出了一定的要求。在高功率运转时，半导体激光器阵列线宽压窄效率下降，成本也在逐渐地增加，目前没有适用于碱金属激光的成熟的高功率窄线宽半导体抽运源，各个实验室基本都是自行研制，技术上难度较大。同时，碱金属原子和烃类分子在高温下容易发生化学反应，限制了激光器的高功率运转。
3) 复合受激态抽运的碱金属激光器。其方案很好地实现了吸收线宽与抽运光线宽的匹配；并且不需要烃类缓冲气体，扩大了系统的工作温度，并且高的工作温度可以增加碱金属蒸气的浓度，有益于高功率激光输出。但实现高效吸收只能提高工作温度以增加碱金属蒸气的浓度，这对蒸气池系统的设计提出更高的要求。同时高功率运转时的准分子的稳定性还有待考证，目前其相关机理有待进一步深入研究。
基于上述目前主要技术方案的分析和高功率窄线宽半导体抽运源技术的限制，认为采用线宽稍宽的高功率半导体激光器抽运源（线宽~1 nm）和高压He 缓冲气体相结合的技术方案，有望实现高功率碱金属激光器的运转。此方案成本相对较低，但对其峰值功率要求较高，可采用脉冲阵列结合侧抽运波导结构可降低对半导体激光器峰值功率的要求；上能级弛豫问题在高压下也能得到一定程度的解决；同时此方案只充He，不含烃类缓冲气体，高功率时相对稳定，可以工作在更高温度、更高碱金属浓度环境下，有利于实现高功率输出；此外，如果再结合碱金属蒸气循环技术来克服碱金属中性粒子的损耗和热效应问题，可实现更高功率输出。此方案是目前有希望实现高功率碱金属激光的潜在技术路径之一。