摘要半导体抽运碱金属蒸气激光器(DPAL)是具有潜力的新型高能激光光源，高功率抽运条件下，铷原子会发生电离，对激光器性能产生负面影响。铷原子主要电离通道之一是抽运光谱(中心波长780 nm)和远翼776 nm 成分引起的5S→5P→5D 的级联效应以及后续的光电离过程。为了定量测量铷DPAL 电离度，需要搭建窄线宽776 nm 高功率半导体光源以模拟780 nm 抽运光的远翼光谱成分。基于Littrow 结构实现了窄线宽776 nm 半导体激光输出，激光线宽小于0.15 nm，功率大于10 W，外腔效率为67%；利用该激光器进行了780 nm 和776 nm 级联抽运实验，观察到显著增强的荧光信号。
关键词激光器; 碱金属蒸气激光器;外腔半导体激光器; 窄线宽; Littrow

 1 引言
    半导体抽运碱金属蒸气激光器(DPAL)兼具固体和气体激光的优势，具有高量子效率、气体介质循环使用流动散热、近红外原子谱线大气透过性好、轻质紧凑等特点，具有潜在的单口径高功率定标放大能力，近年来得到广泛关注和大力发展[1-3]。碱金属原子核外只有一个价电子，距离电离阈值只有4 eV，这个价电子很容易通过光电离或者碰撞电离过程激发，从而达到电离态。理论分析认为光致电离是主要的电离通道之一。
    美国空军军官学院的Knize 等[4]通过理论分析指出，铷DPAL 中的光电离效应会导致铷原子浓度的降低从而在很大程度上影响铷DPAL 的性能。由于现阶段高功率半导体激光器的稳频和线宽压窄技术的限制，在大功率抽运条件下抽运光的远翼会出现776 nm 成分。而铷原子中光电离效应的通道之一是780 nm(5S→5P)和776 nm(5P→5D)的级联效应光激发过程以及后续的光电离过程。为了研究该级联效应和后续的光电离过程对铷DPAL 电离度的影响，需要模拟高功率780 nm 半导体激光器的远翼光谱成分(776 nm)，因此搭建窄线宽776 nm 半导体光源具有重要意义。
    目前，对于半导体激光器线宽压窄，业界主要采用的是外腔法[5-7]。外腔法是指在激光器腔外插入平面衍射光栅、棱镜、F-P 标准具、体布拉格光栅等色散元件。外腔压窄实质是利用色散元件的角色散性，使特定波长反馈回半导体激光器的有源区，特定波长的纵模优先起振达到饱和状态，导致半导体激光器增益曲线的下降，抑制其他纵模模式，从而使线宽压窄。本文基于平面光栅压窄大功率半导体激光器输出线宽。
2 实验装置
    相比于Littman 结构，Littrow 结构具有更高的外腔效率。虽然Littman 结构能够实现更窄的光谱线宽[8]，但考虑到用于模拟高功率780 nm 半导体激光器的776 nm 远翼光谱成分，Littrow 结构可以实现的光谱线宽能够满足实验需求，因此本文采用Littrow 外腔结构。

    实验装置如图1 所示，所用激光器为19 发光源单bar 条CS 封装传导冷却线阵半导体激光器(LDA)，最大驱动电流为50 A 条件下输出功率为50 W，此时中心波长约为779 nm，经过慢轴(SA)准直透镜(SAC，f =6 cm)准直后，光斑尺寸约为10 mm×5 mm(95%功率内)；衍射光栅(2400 line/mm，光栅刻线越密，外腔输出谱宽越窄[9])刻线与激光器快轴(FA)方向平行，半导体激光入射至光栅后的一级衍射光被反馈回到激光器形成外腔，0 级光被反射作为使用激光的输出，微调光栅的转角能使反馈光的中心波长发生变化，从而改变激光器的谐振波长；半波片用于调节入射至衍射光栅的激光偏振态，以取得光谱压窄效果和输出功率之间的最优平衡，不同偏振态下衍射光栅的衍射效率如图2 所示。

    输出激光入射至积分球(OIS)，以探测不同发光源输出激光的总体光谱强度分布，光谱测量采用傅里叶光谱仪(OSA，86142B，Agilent)进行检测，并使用功率计进行功率检测。
3 实验结果及分析
    图3 为在驱动电流为20 A 时激光器的自由运转以及外腔压窄光谱图。可以看出，通过添加外腔结构，对半导体激光器自由运转条件下光谱[半峰全宽(FWHM)约为2.5 nm]实现了有效的压窄，压窄后的光谱宽度约为0.13 nm。需要指出的是，进一步增加激光器电流，激光器的自由光谱范围将向长波方向漂移，导致压窄光谱的边模抑制比出现显著下降。
    自由运转以及外腔结构下的输出功率如图4 所示。可以看出，添加外腔后，输出功率有所下降；在驱动电流I=20 A 时，外腔输出功率为10 W，外腔效率达到67%。图5 给出了外腔锁定条件下输出光谱随电流的漂移特性。此时，光谱的电流漂移系数为0.06 nm/A，小于自由运转条件下的0.3 nm/A，体现了外腔结构的稳频效果。
    在工作电流20 A 下，手动对光栅进行小角度的旋转，实现了激光的输出波长调谐。从图6 中可以看出，在边模抑制比较好的情况下，通过光栅的旋转可以实现约5 nm 的调谐范围，覆盖了铷DPAL 级联效应所需的抽运波长(776 nm)。同时，结合自由运转光谱位置以及压窄光谱在调谐过程中的强度分布特征，可以得到以下结论，即只有当外腔谐振波长位于自由运转光谱范围内时才能取得最佳光谱压窄效果以及最大输出功率。因此在不影响半导体激光器使用寿命的前提下，本文通过调节水温(20 ℃)尽量使激光器在20 A 下的自由运转光谱位于776 nm 附近，以实现激光输出的最佳压窄效果。

4 铷池吸收荧光验证实验
    为了检验776 nm 半导体激光对在780 nm 抽运条件下铷池的级联激发效应，在120 W 的780 nm(FWHM约为0.1 nm)抽运条件下添加10 W 的776 nm 抽运光，其中铷池长为40 mm，直径为20 mm，充入66661 Pa 的氦气，加热温度为140 ℃，结果如图7 所示。从图7 可以明显看出，在780 nm 和776 nm 级联抽运条件下铷池荧光得到显著加强，图7(a1)、(b1)为实验中所观察到的现象，图7(a2)、(b2)为荧光光谱仪测量得出的结果，光谱分析指出由于776 nm 引起的级联光激发效应5S→5P→5D，导致蓝紫色荧光(约420 nm 成分[10])得到显著加强(5D能级弛豫到6P 后产生的6P→5S 荧光成分)。对于这些高能级效应和电离过程将继续深入开展研究。

5 结论
    基于面Littrow 外腔结构实现了776 nm 窄线宽半导体激光输出，光谱线宽为0.13 nm，输出功率为10 W，外腔效率为67%；该激光器能够应用于铷DPAL 光电离效应的研究实验，在780 nm 和776 nm 的级联抽运过程中观察到显著增强的荧光信号。