不同泵浦参数对泵浦光强分布影响的模拟分析
李 修1,陈秀艳2
【摘 要】摘 要:采用高斯函数近似的方法,模拟与分析了侧面泵浦下,改变泵浦结构、泵浦光半径、增益介质半径以及吸收系数时,注入到激光棒中的泵浦光强分布情况,得出了增大泵浦组数与泵浦光斑尺寸、减小激光棒半径有利于增强泵浦均匀性的结论,同时指出,介质吸收系数选择应合理,过大或过小都不利于泵浦能量的均匀分布与系统效率的提高。通过模拟计算,给出了优化系统参数的方法,从而改善激光器性能、提高激光输出效率。 【期刊名称】北京印刷学院学报 【年(卷),期】2011(019)002 【总页数】4
【关键词】关键词:激光二极管;热透镜效应;泵浦均匀性
对于 LD泵浦的高功率固体激光器而言,热效应是影响其性质的主要因素,它包括热透镜效应、热致应力双折射和端面效应。其中热透镜效应约占 74%,后两者分别占 20%和不到 6%[1]。晶体的热透镜效应严重影响着激光系统的稳定性、效率、腔模尺寸、输出光束质量等各个方面。在端面泵浦固体激光器的热效应模型的建立以及缓解和补偿办法的寻找方面,国内外已经进行了较为广泛和深入的研究,基本趋于成熟,但相对于端面泵浦而言,侧面泵浦下泵浦光不再是简单的高斯光束,其热效应也就更加复杂;而且由于泵浦方向垂直于激光振荡方向,泵浦光与振荡光交叠程度不好,容易形成多模运转,因此,提高泵浦光均匀性以达到其与振荡光空间最大程度的交叠与匹配就成为必要,也能更大程度地改善激光器的性能。
本文模拟与分析了不同侧面泵浦方向下,改变不同泵浦参数时注入到激光棒中的泵浦光强分布情况,并总结讨论了不同参数对泵浦均匀性的影响程度。
1 理论分析与计算
对于激光二极管侧面泵浦的全固态激光器,描述泵浦光强分布比较常用的方式是采用光线追迹法进行数值求解[2-3],但这种方法计算量太大,而且实际上光线进入晶体后光路还要经过多次变化,致使程序设计上要花费大量时间,实现起来比较麻烦,而二极管发出的泵浦光呈高斯型分布。因此,采用高斯函数近似更符合实际情况,计算起来也相对简单,本文即采取这种方法进行模拟计算。 为使研究的问题更简单,现引入几点假设[4]:
1)激光二极管 bar沿晶体轴线 (z轴)辐射的能量分布是均匀的; 2)只考虑进入晶体的泵浦光,实际的泵浦光束可以通过光线追迹法得到; 3)泵浦光束单次通过晶体,不考虑因反射而再次进入晶体内的泵浦光。
以单向侧面泵浦为例,如图 1所示,激光棒中心位于坐标轴原点处,则单向侧面泵浦光强表达式为
其中,+y,ωp为晶体内y处的泵浦光斑半径,ωp0为泵浦光斑束腰半径,d为泵浦光通过晶体的距离,I0为沿晶体轴向单位长度内的泵浦功率,λ为泵浦光波长,α为晶体对泵浦光的吸收系数,r0为激光晶体的半径。
多向侧面泵浦时,激光二极管 bar按照泵浦方向的不同等间距地排列在激光晶体棒周围,这样晶体任一点的光强就是每一向泵浦光强在这点叠加的结果,不同方向的泵浦光强的分布可以通过坐标变换得到,如图 2所示,分别为激光二极管三向、五向和七向侧面泵浦的结构示意图。对于三向侧面泵浦情况,令 bar1沿y轴方向,则有
对于五向和七向侧面泵浦时,每个二极管 bar之间的间隔角度分别取 72°和 51.4°,代入公式后即可得每个泵浦方向上的光强表达式和叠加后的总光强表达式。取I0=50W/cm2,ωp0=300μm,λ=808nm,r0=0.2cm,可得不同泵浦方向时泵浦光强分布及等值线图。
图 3为不同泵浦方向下泵浦光强的分布截面图。由图 3可知,二极管测面泵浦光在激光棒中不是均匀分布,并且在单侧面泵浦时,泵浦光强不是以晶体中心轴为对称轴的轴对称分布形式,而是以泵浦光方向为轴对称地分布于其两侧,晶体在靠近激光二极管 bar处沉积的泵浦能量高,在泵浦光通过激光晶体的过程中,晶体的吸收能量有所衰减。随着泵浦组数 (方向)的增加,由于叠加作用,泵浦光强分布在激光棒内逐渐呈现中间高边缘低的形式,并且晶体中心及其周围小范围内的光强分布越来越接近以晶体中心轴为对称轴的轴对称分布形式,因此,泵浦光强分布的均匀性大大增强,从而使输出激光的光束质量也大大增强。
泵浦能量在激光晶体内分布的均匀性决定着激光系统的性能。由上面的分析可知,增加泵浦组数可以大大提高泵浦的均匀性,但这也会使激光头结构更加复杂、价格也会相应更高,因此,还要考虑影响泵浦均匀性的其他结构参数。下面就以三向泵浦为例,通过改变泵浦光斑半径ωp0、激光棒半径r0和晶体的吸收系数,计算泵浦光强分布的二维图及等温线分布图。
图 4和图 5分别为改变泵浦光斑半径ωp0时晶体内光强的等温线分布图和y轴上的二维分布图。由图 4和图 5可知,泵浦光斑尺寸不同,泵浦光强在晶体内的分布情况也不相同,但有一个变化规律相同,即靠近泵浦二极管 bar处的光强大于远离二极管 bar处的光强,并且由于叠加效果,使得晶体中心处的光强最强。但随着泵浦光斑尺寸的增大,泵浦光在激光棒内的分布均匀性增强,但中心处附近的
不同泵浦参数对泵浦光强分布影响的模拟分析
