納秒脈沖激光抽運下的銫蒸氣電離度研究

石文波，楊 亮，金玉奇，李慶偉，吳克難

(中國科學院 大連化學物理研究所 化學激光重點實驗室，大連 116023)

引 言

半導體抽運堿金屬激光器(diode pumped alkali lasers,DPAL)是近些年發(fā)展起來的一種新型激光器。與化學、固體和光纖等高能激光器[1-3]相比，它兼具量子效率高、光束質量好、熱管理性能好、滿足大氣窗口要求、放大性能好、功率重量比大、裝置簡單、使用方便等優(yōu)點，在基礎物理研究、激光加工、醫(yī)學以及軍事領域具有廣闊的應用前景[4-7]。

DPAL為三能級激光器，其工作能級為堿金屬原子的3個低能級[8-10]。當前，已經實現出光的DPAL主要以鉀、銣、銫蒸氣作為工作介質，基本工作原理為：首先，處于n2S1/2能級上的堿金屬原子在半導體激光抽運下受激躍遷至n2P3/2能級上，然后，n2P3/2能級上的堿金屬原子在惰性氣體的作用下快速弛豫至n2P1/2；隨后，n2P1/2能級上的堿金屬原子受激躍遷至n2S1/2能級形成激光(對應于堿金屬鉀、銣、銫，n分別為4,5,6)。

然而，作為DPAL工作介質的堿金屬蒸氣并不是完全工作于簡單的三能級狀態(tài)，除了這3個能級，堿金屬原子還具有復雜的高能級結構和低電離能。作為激光工作介質的堿金屬蒸氣在光激發(fā)、碰撞能量轉移、潘寧電離、多光子電離等效應的作用下將會發(fā)生部分電離形成等離子體[8-13]。堿金屬蒸氣的電離一方面將會降低作為DPAL工作介質的堿金屬蒸氣的粒子數密度，另一方面會使大量高能態(tài)粒子通過無輻射躍遷大幅增加系統(tǒng)廢熱。如果堿金屬蒸氣電離度過高，DPAL的出光功率必然下降甚至不出光。當激光抽運能量很低時，堿金屬蒸氣的電離度很小，不會對DPAL的出光造成大的影響。然而，隨著DPAL的定標放大，激光抽運功率密度等因素勢必會不斷增大，隨著這些因素的增大，堿金屬蒸氣的電離度也會越來越大，從而將對DPAL出光造成不利影響[4,8]。

2003年，美國利弗莫爾實驗室(Lawrence Livermore National Laboratory，LLNL)首次實現了銣DPAL出光，美國空軍軍官學院隨即實現了10W和48W的高效銫蒸氣激光。2010年，通用原子公司改進熱管理方法，基于固體傳導冷卻方案實現了207W連續(xù)銣蒸氣激光輸出。2012年，俄羅斯核技術中心采用流動熱管理方式實現了光光效率接近50%、輸出功率1kW的銫蒸氣激光。2015年，LLNL將DPAL輸出功率提升至14kW量級，并計劃2016年將功率提升至30kW水平，計劃2019年實現120kW的DPAL系統(tǒng)[4]。雖然LLNL 的研究目標是否實現未見報道，但從以上報道可以得出結論：(1)DPAL最近10年一直在不斷地定標放大，其功率水平迅速提升，并在將來會向著更高的功率水平發(fā)展；(2)研究人員不斷采用新的熱管理技術，努力使DPAL運行于更少廢熱影響的狀態(tài)，因此，工作于無廢熱狀態(tài)或者少廢熱狀態(tài)將是DPAL未來的發(fā)展趨勢。

結合DPAL的發(fā)展態(tài)勢和堿金屬蒸氣電離對DPAL放大的不利影響可以看出，提前分析無熱效應影響下堿金屬蒸氣電離度同激光抽運功率密度等因素之間的關系，對于弄清DPAL的定標放大潛力具有非常重要的意義。

目前，對于DPAL電離度的研究主要集中在理論計算方面[8-10,14-19],雖然對于DPAL電離度的理論分析能夠對DPAL的定標放大給予一定的指導，但一定條件下的DPAL電離度及其對DPAL的影響還需要進行實驗驗證。國防科技大學的ZHAO等人[8,10,20-21]采用光電流法對銣DPAL進行了電離度研究，他們的研究集中在銣蒸氣電離度的研究上，脈沖激光模式下，在脈沖抽運功率密度0.82kW/cm2、氦氣緩沖氣壓力6.67×104Pa、堿金屬池溫度150℃的情況下得到了約6.45×10-6的銣蒸氣電離度[21]；在脈沖抽運功率密度18kW/cm2、氦氣緩沖氣壓力911.925kPa、堿金屬池溫度165℃的情況下得到了0.06%的銣蒸氣電離度[8]。由于采用的是脈沖激光，他們采用的體系可看作無熱效應體系，但是其抽運功率密度和得到的銣蒸氣電離度都非常的小，遠遠達不到指導DPAL進一步定標放大的要求。

為了弄清DPAL定標放大過程中抽運功率密度等因素對堿金屬蒸氣電離度的影響，本文中以一套納秒激光作為抽運源，采用適合于短脈沖測量堿金屬蒸氣電離度的光電流法對堿金屬蒸氣的電離度進行了實驗研究。本工作研究的堿金屬蒸氣電離度為銫蒸氣的電離度，采用其它堿金屬蒸氣開展電離度研究的工作正在開展中，其實驗結果后續(xù)將進行報道。

1 實驗裝置

脈沖激光抽運下的堿金屬蒸氣電離度研究實驗裝置圖如圖1所示。圖中，OPO(optical parametric oscillator)表示光參量振蕩器激光器， HR(high reflective mirror)表示高反鏡，PEP(photoelectric probe)表示光電探頭，HW(half-wave-plate)表示半波片，PS(polarization splitter)表示偏振分光器，LT(light trap)表示光阱，DP(diaphragm)表示光闌，CL(convex lens)表示凸透鏡，EM(energy meter position)表示能量計放置位置，OV(oven)表示電加熱爐，AC(alkali cell)表示堿金屬池，PE(electrode plate)表示電極板，FP(laser focus point)表示激光焦點，DC(direct current)表示直流電源，BR(bias resistance)表示偏置電阻， OS(oscilloscope)表示示波器， HOF(head of optical fiber)表示光纖頭，OF(optical fiber)表示光纖，SP(spectrometer)表示光譜儀， ICCD(intensified charge-coupled device)表示增強型電荷耦合器件探測器。

Fig.1 Scheme of the experimental setup for measuring ionization degree of alkali vapor that pumped by a pulse laser

堿金屬池的殼體材料為玻璃，內部堿金屬為銫，緩沖氣為He氣；堿金屬池上兩塊電極板寬度15mm、高度15mm、間距16mm，材料為鎳；電極板引線材料為鎢。實驗時，堿金屬池放置在電加熱爐內部，其溫度由電加熱爐控制，控制精度在±1℃左右。當堿金屬池溫度達到設定溫度并穩(wěn)定約0.5h后，從OPO輸出的波長852nm、線寬0.3nm、脈寬6ns的激光依次經高反鏡1、高反鏡2、半波片、偏振分光器、光闌1、凸透鏡和堿金屬池的前窗口照射到堿金屬池兩個電極板之間；在此處，激光抽運堿金屬蒸氣并使得部分堿金屬蒸氣產生電離生成電子和離子；沒有被堿金屬蒸氣吸收的激光隨后通過堿金屬池后窗口、光闌2、光纖頭、光纖照射到光譜儀入口處，并經光譜儀分光后由ICCD將光譜信息記錄下來。激光抽運堿金屬蒸氣產生的堿金屬蒸氣電離信號通過由直流電源、偏置電阻、電極板和示波器組成的光電流測量電路測量得到，其具體測量原理和堿金屬蒸氣電離度計算方法將在第2節(jié)詳細描述。

實驗裝置中的半波片和偏振分光器組合使用用于改變照射到堿金屬池內的激光能量；光阱用于收集來自偏振分光器的無用激光；凸透鏡焦距為200mm，為方便定位，其焦點位于圖1所示的堿金屬池兩電極板之間靠近電極板左邊緣處，用于研究高激光抽運功率密度下的堿金屬蒸氣電離度，在研究低激光抽運功率密度下的堿金屬蒸氣電離度時凸透鏡被移除；高反鏡1、高反鏡2、光闌1和光闌2用于校準光路；同時，光闌1還具有在實驗時限定通過它的激光光斑直徑大小的作用，本文中所有實驗的光闌1開孔直徑為5mm；光電探頭用于測量OPO激光器輸出的激光脈沖的脈寬并作為示波器的觸發(fā)信號。

另外，為了測量堿金屬蒸氣電離度與激光抽運功率密度之間的關系，實驗前將能量計在凸透鏡和電加熱爐之間放置30s以上,以測量照射到堿金屬池中的激光能量，實驗中將能量計放置在孔徑全開(直徑25mm)的光闌2與光纖頭之間,以測量透過堿金屬池的激光能量。

2 測量原理

由于示波器及其探頭本身具有輸入電阻和輸入電容，因此在采用圖1所示的光電流測量電路測量堿金屬蒸氣電離度時,不僅要考慮偏置電阻對示波器測量到的光電流電壓的影響，示波器及其探頭具有的輸入電阻和輸入電容也需要考慮在內。圖2為考慮示波器及其探頭的輸入電阻和輸入電容的光電流法測量堿金屬蒸氣電離度等效電路圖。圖中，PPE(positive elec-trode plate)表示正極板,NPE(negative electrode plate)表示負極板,IR(input resistance)表示示波器及其探頭輸入電阻,IC(input capacitance)表示示波器及其探頭輸入電容,signal表示通過示波器采集的電壓信號,OSP(oscilloscope)表示示波器及其探頭。

Fig.2 Scheme of the equivalent circuit for measuring alkali vapor ionization degree by use of photocurrent method, with the input resistance and capacitance of oscilloscope and oscilloscope probe are considered

實驗中使用的直流電源的電壓為120V，示波器探頭采用×10檔位，示波器通過它測量得到的電壓信號為衰減10倍的信號；示波器及其探頭等效輸入電阻1和2的阻值分別為9MΩ和1MΩ；偏置電阻的阻值為100MΩ；示波器及其探頭輸入電容的等效容值為50pF；偏置電阻與示波器及其探頭輸入電阻并聯(lián)形成示波器及其探頭總等效電阻，然后與示波器及其探頭輸入電容、直流電源及堿金屬池電極板共同形成RC回路。

示波器測量到的電壓乘以示波器探頭衰減系數,即為堿金屬池負極板與直流電源負極之間的電勢差。當沒有激光照射到堿金屬池中時，堿金屬池中沒有電子和離子產生，堿金屬池負極板與直流電源負極之間的電勢差為零，示波器采集的電壓信號值為零。當抽運激光照射到堿金屬池中兩塊電極板之間時，堿金屬蒸氣電離產生的電子和離子將會在偏置電壓的作用下分別移動到堿金屬池的正極板和負極板上，在堿金屬池負極板與直流電源負極之間形成電勢差，示波器采集到電壓信號。

圖3為實驗中得到的典型銫蒸氣電離光電壓信號。其中，紅線為抽運激光脈沖信號，黑線為銫蒸氣電離光電壓信號?？梢钥闯?與參考文獻[8]中光電壓信號與毫秒量級抽運激光脈沖信號基本同步的現象不同，作者測量得到的光電壓信號時長遠長于抽運激光脈沖信號，這是由于本文中采用的脈沖激光的脈寬為6ns左右，遠短于堿金屬蒸氣電離度測量回路的毫秒量級的RC特征馳豫時間的原因。為此，本文作者給出了適用于短脈沖激光抽運源的光電流法測量堿金屬蒸氣電離度方法。

Fig.3 Typical photovoltage signal of the ionized cesium vapor

示波器測量到的電壓U主要由兩部分決定:一是單位時間內從堿金屬蒸氣電離處移動到電極板上的電荷數n;另一個是由于存在RC回路，單位時間內電極板上電荷的損耗數，其速率方程如下：

(1)

式中，R=Rb(R1+R2)/(Rb+R1+R2)為示波器及其探頭輸入電阻R1和R2先串聯(lián)然后與偏置電阻Rb并聯(lián)形成的等效電阻，M為示波器探頭衰減因子，C為示波器及其探頭的輸入電容，e為基本電荷，q為t時刻電極板上的電荷數。

從堿金屬蒸氣電離處移動到電極板上的總電荷數Q等于在RC回路中消耗的總電荷數，因此抽運激光單次脈沖產生的總電荷數可表示為如下形式：

(2)

激光抽運堿金屬蒸氣生成的等離子體為低溫等離子體，其離子溫度基本上等于堿金屬蒸氣的溫度，但電子溫度達到了約2×104℃量級，使得電子具有很高的熱運動速度和擴散速度。當照射到堿金屬池中的抽運激光束距離正極板較遠時，大部分電子沒有在電場的作用下移動到電極板上為示波器的電壓增長做貢獻，而是碰撞到堿金屬池壁上損失掉了；當抽運激光束距離正極板比較近時，部分電子會在電場的作用下移動到電極板上為示波器的電壓增長做貢獻，但由于其熱運動速度和擴散速度比較大，這部分電壓增長難以定量測量。3.1節(jié)中將給出激光束遠離正極板時,銫離子數密度測量值基本保持不變，而激光束接近正極板時，銫離子數密度測量值受電子電荷影響且隨激光束與正極板距離的變小而增加的實驗結果，該結果證實了作者的分析。為了避免堿金屬蒸氣電離產生的電子對測量結果的影響，作者在實驗中將抽運激光束照射至靠近堿金屬池負極板、遠離正極板的位置，并認為采集到的信號全部來自堿金屬離子的貢獻。此時，設電極板寬度為W，電極板間抽運激光束的平均直徑為D，電極板間抽運激光束的體積為Vlaser，則堿金屬蒸氣電離產生的離子的粒子數密度ρ為：

(3)

設堿金屬的飽和蒸氣壓為p，由理想氣體狀態(tài)方程得到溫度T下堿金屬蒸氣的粒子數密度ρT為：

(4)

式中，Rg為氣體普適常數；對于堿金屬銫，其飽和蒸氣壓p由參考文獻[22]中的銫飽和蒸氣壓計算公式給出。

由(3)式和(4)式得到溫度T下的堿金屬蒸氣電離度η為：

(5)

根據(5)式得到溫度T下堿金屬蒸氣電離度η的相對誤差為：

(6)

式中，dη為溫度T下堿金屬蒸氣電離度的絕對誤差，dp為堿金屬飽和蒸氣壓p的絕對誤差，dVlaser為電極板間抽運激光束體積Vlaser的絕對誤差，dQ為從堿金屬蒸氣電離處移動到電極板上的總電荷數Q的絕對誤差。

氣體溫度T的相對誤差由氣體溫度和電加熱爐的控溫精度決定。本實驗中氣體溫度T的控制精度為1℃，實驗涵蓋的氣體溫度范圍為122℃～163℃。取氣體溫度為122℃，得到氣體溫度T的相對誤差為0.25%。

根據參考文獻[22]，堿金屬銫的飽和蒸氣壓p的相對誤差為5%。

電極板間抽運激光束體積Vlaser的相對誤差的計算分為兩種情況。一種是堿金屬池前沒有放置凸透鏡的情況,此時，電極板間抽運激光束體積Vlaser的相對誤差由下式決定：

(7)

式中，電極板間抽運激光束的平均直徑D即為光闌1的孔徑D′；dD為光闌1孔徑的測量誤差；dW為電極板寬度的測量誤差。本實驗中采用的光闌1孔徑為5mm，測量誤差為0.1mm；電極板寬度為15mm，測量誤差為0.1mm。因此，由(7)式得到堿金屬池前沒有放置凸透鏡情況下電極板間的抽運激光束體積Vlaser的相對誤差為4.67%。

涉及電極板間抽運激光束體積Vlaser相對誤差計算的另一種情況是堿金屬池前放置了凸透鏡的情況。設抽運激光從左向右照射，經凸透鏡聚焦后抽運激光焦點位于寬度為W的電極板范圍內，抽運激光焦點距離電極板左邊緣的距離為W′，光闌1的孔徑為D′，凸透鏡的焦距為f，抽運激光在電極板左邊緣處的光斑直徑為D1，抽運激光在電極板右邊緣處的光斑直徑為D2。根據相似三角形公式，D1和D2可表示為如下形式：

(8)

(9)

根據圓錐體體積公式，以D1和D2為圓錐體底面直徑，以W′和W-W′為圓錐體高度的兩個圓錐體的體積V1和V2分別為：

(10)

(11)

將體積V1和V2相加得到電極板間抽運激光束體積Vlaser為：

(12)

其相對誤差公式可表示為如下形式：

(13)

凸透鏡焦點位于電極板的抽運激光入射一側邊緣處，W′=0。因此，針對本工作，(13)式可簡化為：

(14)

式中，dD′為光闌1孔徑的絕對誤差；df為凸透鏡焦距的絕對誤差；dW′為抽運激光束焦點偏離電極板抽運激光入射一側邊緣的距離。本工作中采用的凸透鏡焦距為200mm，相對誤差1%，由此得到dW′=2mm；結合上面給出的光闌1孔徑5mm、測量精度0.1mm，電極板寬度15mm、測量誤差0.1mm的數據，得到堿金屬池前放置了凸透鏡情況下電極板間抽運激光束體積Vlaser的相對誤差為48%。可以看出，堿金屬池前放置了凸透鏡情況下電極板間抽運激光束體積Vlaser的相對誤差較大，而該誤差主要是由于凸透鏡焦距的絕對誤差過大造成的。因此，實驗中采用相對誤差較小的凸透鏡能夠有效降低電極板間抽運激光束體積的相對誤差。另外，(14)式是從抽運激光焦點在電極板內部推導得到的，如果使抽運激光焦點位于電極板外部，則電極板之間的光束將是一個圓錐臺。此時，電極板間抽運激光束體積Vlaser及其相對誤差的計算公式如下：

(15)

(16)

由(16)式可以得到：隨著W′的增加，電極板間抽運激光束體積的相對誤差將不斷縮小。因此，實驗中使抽運激光束焦點遠離電極板中心也能夠有效降低電極板間抽運激光束體積相對誤差。

根據(2)式得到從堿金屬蒸氣電離處移動到電極板上的總電荷數Q的相對誤差計算公式為：

(17)

式中，根據等效電阻R的計算公式得到等效電阻R的相對誤差計算公式為：

(18)

本文中的Rb、R1和R2的阻值由臺式萬用表測量得到，阻值的相對測量誤差為0.3%，將Rb、R1和R2的阻值100MΩ、9MΩ和1MΩ代入(18)式,得到等效電阻R的相對誤差為約0.9%，同時根據R1和R2的阻值得到示波器探頭衰減因子M的相對誤差為0.6%。

示波器采集的電壓信號是一個個分離的點。假設示波器的采樣時間間隔為δt，堿金屬蒸氣光電壓采樣數為N，第i個采樣點的堿金屬蒸氣光電壓為Ui，則堿金屬蒸氣光電壓信號的積分值可表示為如下形式：

(19)

本文中的銫蒸氣光電壓的總采樣時長Δt=Nδt大于銫蒸氣光電壓從其峰值衰減至其1/10所需時長的5倍以上，因此,由于采樣數的有限性導致的銫蒸氣光電壓信號積分值相對誤差小于0.01%。

堿金屬蒸氣電離光電壓信號的單次測量誤差由示波器電壓分辨率決定，該測量誤差為均值為0的白噪音。根據白噪音信噪比計算公式[23]，采樣時間間隔為δt、采樣數為N的堿金屬蒸氣電離光電壓積分值的測量誤差可表示為如下形式：

(20)

式中，dU為示波器的電壓分辨率，即堿金屬蒸氣電離光電壓的單點測量誤差。

(21)

由(17)式～(21)式得到本實驗中從堿金屬蒸氣電離處移動到電極板上的總電荷數Q的相對誤差小于3.15%。根據(6)式～(21)式可知，在堿金屬池前無凸透鏡情況下本實驗研究測量得到的銫蒸氣電離度相對誤差小于14%，在堿金屬池前放置了相對誤差1%、焦距200mm的凸透鏡情況下本實驗研究測量得到的銫蒸氣電離度相對誤差小于57%。

3 結果與討論

3.1 示波器電壓信號與抽運激光束位置之間的關系

圖4為示波器電壓信號與抽運激光束位置之間關系的典型實驗結果。圖4中的橫坐標0時刻為抽運激光脈沖照射到堿金屬池內的時刻，圖例所示的數字為抽運激光束與堿金屬池正極板之間的距離。實驗條件為：He壓力6.67×104Pa，抽運激光單脈沖能量2.3mJ，抽運激光線寬0.3nm，抽運激光脈寬6ns，堿金屬池溫度140℃，光闌1孔徑5mm，光闌1與電加熱爐之間放置焦距為200mm的凸透鏡，凸透鏡焦點位于圖1所示堿金屬池兩電極板之間靠近電極板左邊緣處。從圖4可以看出,隨著抽運激光束與正極板之間距離的減小，示波器峰值電壓信號出現的時刻先增加后減小。分析表明，出現這一現象的原因為：當抽運激光束距離正極板比較遠時，示波器電壓信號主要來自銫離子的貢獻，抽運激光束與負極板之間距離越大，銫離子到達負極板所需時間越長；當抽運激光束與正極板之間距離接近到一定程度時，移動到正極板上的電子數量將不能再忽略，此時由于同時存在銫離子和電子的貢獻，示波器電壓信號將會出現兩個明顯的拐點信號(如圖4中的粉紅色線和黃色線所示)；當抽運激光束與正極板之間距離進一步縮小，將會有更多的電子以更短的時間移動到正極板上，此時示波器峰值電壓信號的出現時刻隨著抽運激光束與正極板之間距離的縮小而減小。

Fig.4 Voltage signals versus the positions of pump laser beam

受OPO激光器工作性能影響，圖4所示實驗結果的抽運激光能量略有不同。圖5為考慮抽運能量的不同后,根據(2)式、(3)式和圖4計算得到的銫離子數密度測量值與抽運激光束位置之間關系的結果。從圖5可以看出,當抽運激光束與正極板之間距離較遠(大于8mm)時，銫離子數密度測量值基本不變，而當抽運激光束與正極板之間距離較近時，銫離子數密度測量值會隨著抽運激光束與正極板之間距離的減小而不斷增大。產生這一現象的原因作者已經在第2節(jié)中做了說明，在此不再贅述。該實驗結果表明，抽運激光束與正極板之間的距離存在合適的取值范圍，當抽運激光束與正極板之間的距離處于該范圍內時，光電流法能夠給出銫離子數密度及其電離度的準確值。下面討論的銫離子數密度及其電離度與各物理量之間關系的所有數據均基于抽運激光束與正極板之間距離處于此合適取值范圍內的實驗數據。

Fig.5 Number densities of the cesium ions vs. the positions of pump laser beam

3.2 銫離子數密度與抽運激光器重復頻率間的關系

圖6為銫離子數密度與抽運激光器重復頻率間的關系。實驗條件為：He壓力9.33×104Pa，抽運激光脈沖能量1.3mJ，抽運激光線寬0.3nm，抽運激光脈寬6ns，堿金屬池溫度150°C，光闌1孔徑5mm，光闌1與電加熱爐之間無凸透鏡，抽運激光束距離正電極板10mm?？梢钥闯?在10Hz的抽運激光器重復頻率范圍內，銫離子數密度幾乎與抽運激光器重復頻率無關。結果表明,在作者的實驗中沒有因為抽運激光器重復頻率過大造成的熱效應問題。

Fig.6 Number densities of the cesium ions vs. the repetition frequencies of pump laser

3.3 銫蒸氣電離度與抽運激光功率密度間的關系

圖7a和圖7b分別為光闌1與電加熱爐之間不放置和放置凸透鏡情況下銫蒸氣電離度與抽運激光功率密度之間關系的實驗結果。實驗條件為：He壓力9.33×104Pa，抽運激光線寬0.3nm，抽運激光脈寬6ns，堿金屬池溫度150°C，光闌1孔徑5mm，凸透鏡焦距為200mm，抽運激光束距離正電極板10mm。從圖7a和圖7b可以看出：(1)當抽運激光功率密度較低時，銫離子電離度基本隨抽運激光功率密度增加線性增加；當抽運激光功率密度較高時，銫蒸氣電離度基本隨抽運激光功率密度增加而呈對數關系增加；(2)在1.35×106W/cm2的抽運激光功率密度下，銫蒸氣電離度約為2×10-5，這與參考文獻[21]中給出的在脈沖寬度1ms、抽運功率密度0.82kW/cm2的激光抽運下6.45×10-6左右的銣蒸氣電離度比較接近；(3)在激光線寬0.3nm、激光脈寬6ns的激光脈沖抽運條件下，抽運激光功率密度只有達到了約3×108W/cm2的量級，銫蒸氣電離度才能達到1%左右。這一結果對于銫DPAL通過增加抽運激光功率密度進行定標放大具有非常積極的意義。

Fig.7 Ionization degrees of cesium vapor vs. the power densities of pump laser

3.4 銫蒸氣電離度與堿金屬池溫度間的關系

圖8a和圖8b分別為銫離子數密度、銫蒸氣電離度與堿金屬池溫度間的關系。實驗條件為:He壓力9.33×104Pa，抽運激光脈沖能量2.4mJ，抽運激光線寬0.3nm，抽運激光脈寬6ns，光闌1孔徑5mm，光闌1與電加熱爐之間不放置凸透鏡，抽運激光束距離正電極板10mm。圖8a中的黑點為實驗得到的銫離子數密度，黑色實線為銫離子數密度的線性擬合結果，紅色虛線為根據參考文獻[22]中的銫飽和蒸氣壓計算得到的銫蒸氣粒子數密度;圖8b中的黑點為根據銫離子數密度和銫蒸氣粒子數密度得到的銫蒸氣電離度。從圖8a和圖8b可以看出：(1)在堿金屬池溫度從122℃升高至163℃的過程中，雖然銫離子數密度隨著堿金屬池溫度的升高而單調地升高了約5倍，但由于銫蒸氣粒子數密度也隨著堿金屬池溫度的升高而提高了約7倍，故銫蒸氣電離度的變化并不大，實驗條件下銫蒸氣電離度一直處于0.003%以下;(2)由于銫離子數密度隨堿金屬池溫度的升高呈線形增加，而銫蒸氣粒子數密度隨堿金屬池溫度的升高呈指數增加，因此銫蒸氣電離度在堿金屬池升溫過程中存在極大值點；越過該極大值點后，銫蒸氣電離度隨著堿金屬池溫度的升高而降低。這一現象與參考文獻[24]中給出的銣蒸氣電離度隨溫度升高先升高后降低的現象一致。

Fig.8 Number densities of cesium ions and ionization degrees of cesium vapor vs. the temperatures of alkali cell

由于堿金屬池溫度越高，銫蒸氣密度越大，銫DPAL單位體積內吸收的抽運激光能量越多，其單位體積輸出的激光能量也越多。因此，銫蒸氣電離度隨著堿金屬池溫度的升高變化不大，甚至在超過極大值點后，隨著堿金屬池溫度的升高而降低的實驗結果，對于通過提高堿金屬池溫度進行銫DPAL定標放大具有十分重要的意義。

4 結 論

實現DPAL的功率不斷放大和使其處于無廢熱或者少廢熱工作狀態(tài)是DPAL的發(fā)展趨勢，而堿金屬蒸氣電離可能會對DPAL的功率放大造成不利影響。為了提前辨析堿金屬蒸氣電離對DPAL功率放大的影響程度，作者采用一臺納秒脈沖激光器抽運銫金屬池開展了銫蒸氣電離對銫DPAL功率放大的影響研究工作。實驗研究中發(fā)展了適用于短脈沖抽運激光器的光電流法測量堿金屬蒸氣電離度測量方法，并采用此方法研究了銫蒸氣電離度同激光抽運功率密度、抽運激光器重復頻率及堿金屬池溫度之間的關系。研究結果表明：在無熱效應的情況下，即使抽運激光的功率密度高達3×108W/cm2，在堿金屬池溫度150℃、氦氣緩沖氣壓力9.33×104Pa的實驗條件下，銫蒸氣的電離度也僅僅達到了1%左右；在堿金屬池溫度從122℃升高至163℃的過程中，相對于銫蒸氣粒子數密度的顯著增大，銫蒸氣電離度的變化非常小。這些結果說明，從堿金屬蒸氣電離角度考慮，在無廢熱或者少廢熱的工作狀態(tài)下，銫DPAL具有非常好的放大性。