（通信与信息系统专业论文）二极管泵浦的板条激光放大器增益特性研究.pdf

西南交通大学硕士研究牛学位论文第1 页捅芰随着激光二极管技术的发展，以及制作成本的降低，在固体激光系统中，激光二极管已经成为最具有影响力的泵浦源之一。并且在激光技术的快速发展与不断的研究中，二极管泵浦的板条激光放大器由于其具有比较高的峰值功率、系统的稳定性、紧凑的结构以及比较好的输出光束质量和易于维护等许多的优点而广泛的应用于材料处理、工业加工、军事等多方面的领域中，因此，对板条激光放大器的研究有了重要的意义。本文主要围绕端面泵浦的板条激光放大器进行一系列的理论研究和模拟计算。主要内容包括：( 1 ) 通过分析四能级结构而计算出各个能级在稳态情况下的粒子数，并且计算出了反转粒子数、小信号增益的大小，计算结果表明：在板条长度的方向上，反转粒子数呈逐渐减小的趋势，小信号增益系数与反转粒子数的变化情况一致。( 2 ) 运用几何光学的方法，分析了板条介质中填充因子的变化情况，模拟计算了信号光的入射角度、板条端面的切角以及系数k 对填充因子的影响，模拟结果说明：填充因子并不是随着信号光入射角度的增大而增大，填充因子随着板条端面切角的增大而减小，系数k 越大，填充因子也就越大。( 3 ) 建立了“之”字型板条激光放大器的物理理论模型，根据光束分割和板条切割法，在考虑单侧泵浦的条件下，利用m a t1 a b 软件，将信号光束在板条中的单程和多程放大的过程进行模拟计算，得到了信号在二维板条空间中的分布，结论说明：多程放大比单程放大的输出功率要大。关键词：板条放大器；速率方程；端面泵浦；填充因子；西南交通大学硕士研究牛学位论文第1 i 页a b s t r a c tr e v i s i n gt h ed e v e l 叩m e n to ft 1 1 el a s e rd i o d et e c h n o l o g ya i l dd e c l i n ei nm ep c e ，t l l e1 嬲e rd i o d eh a sb e c o m et l l em o s ta t n a c t i v ei i lt 1 1 es o l i ds t a t el a s e rs v s t e m w i t l lt 1 1 er a p i dd e v e l o p m e n to fl a s e rt e c h n o l o g ya n dc o m i n u o u sr e s e a r c h ，m ed i o d ep m n p e ds l a b1 a s e ra n l p l i f i e r h a sb e e nu s e d 喇d e l yi 1 1m a i l ya r e a so fm a t e r i a lh a l l d i n g ，i 1 1 d u s t r i a lp r o c e s s i n g ，a n dm i l i t a i y 孤ds oo nb e c a u s eo fi t sr e l a t i v e l y1 1 i g hp e a kp o w e r ，s t a 曲i l i 耽c o m p a c ts t n l c t u 】陀a 1 1 dg o o do 唧u tb e 锄q u a l i t ) r s oi t sa i li i n p o n a 【i l ts i g l l i f i c a i l c et or e s e a r c ho nt l l es l a bl a s e r 锄p l i 丘e r i i lt 1 1 i sp a p e r ，as e r i e so ft l l e o r e t i c a ls t u d i e sa n ds i m u l a t i o na r o u r l dt h ee n dp u i l l p e ds l a bl a s e r 锄p l i f i e r t h em a i l lc o n t e m si n c l u d e ：( 1 ) b ya n a l y z i n gm ef o u r - l e v e ls 仃u c t u r e ，也en u m b e ro ft l l ep a n i c l e si nt l l es t e a d ys t a t ea 1 1 dt 1 1 en u m b e ro ft l l ei i l v e r s i o np a i t i c l e sh a v eb e e nc a l c u l a t e d m e a n w l l i l e ，t h eg a mo fm es m a l lg a i l li nt h eg a i l lm e d i u mh a sa l s ob e e n 锄a l y z e d t h er e s u l t ss h o wt l l a t ：1 1 1t h ed i r e c t i o no f 吐l es l a bl e n g t l l ，t h ep o p u l a t i o ni r l v e r s i o na n dm es m a l lg a i nw a s1 e d u c e d ( 2 ) u s i n gt 1 1 eg e o m e t r i c a lo p t i c sm e t h o d ，t l l ep a r a m e t e r s ，w m c ha f f e c tt h e 丘1 1 i n gf a c t o r ，a r ed i s c u s s e da n da m l y z e di i ld e t a i l 1 1 l ei n c i d e ma i l g l e0 fs i g n a ll i g h t ，也es l a bc u t t i n ga n g l e 锄dt l l ec o e 丘i c i e n tkw e r ec a l c l l l a t e d t h er e s u l t ss h o wm a t ：f i l lf a c t o rs o m e t i m e sn om a t t e rw i t l lt l l ei i l c i d e n ta n g l eo fs i g m ll i g h t ，i tw a sb o a r d e d 谢t 1 1d e c r e a s i n gs l a bc u n i n ga r l g l ea 1 1 dc o e 衢c i e n tk ( 3 ) ap h y s i c sm o d e lo fz i g z a g s l a bl a s e r 锄p l i f i e ri sp r o p o s e d b ym e a i l so ft l l et i l i ns e c t i o na 1 1 db e 锄d i v i s i o nm e t l l o d ，t h es m a l ls i g i l a lg a i ni nt l l es l a bu n d e rt h ec o n d i t i o no fs i d e 巾u i 】1 p e di sn u m e r i c a lc a l c u l a t e d 谢mm a tl a bs o 小掰e m o r e o v e r i 1 1v i e wo fm u l t i - p a s sa m p l i 矽i n g ，m es p a c ed i s t r i b u t i o no ft l l es i g m lb e 锄i i lm es l a bi sa l s od i s c u s s e d 觚ds i m u l a t e d t h er e s u l ts h o wt h a t ：t h eo u t p u tp o w e ra b o u tm u l t i p a s sa m p l i f i e ri sl a r g e rt h a nt i l eo n e 、v a y k e y w o r d ：s l a 【ba m p l i f i e r ，r a t ee q u a t i o n ，e n dp 啪p e d ，f 订lf a c t o r西南交通大学硕士研究牛学位论文第1 页第1 章绪论1 1 二极管泵浦的板条激光放大器的研究意义伴随着激光技术的快速发展与不断的研究，二极管泵浦的板条激光放大器因为具有比较高的峰值功率和稳定性、紧凑的结构以及较好的输出光束质量、易于维护等许多的优点而广泛的应用于材料处理、工业加工、军事等多方面的领域中训。传统的固态激光放大器中，所使用的激光工作介质是呈棒状的，当其在热负荷条件小运转的时候，它的激光介质就存在热致双折射、散热困难、热透镜效应等问题，从而使得它成为向大功率激光放大器发展的重大障碍。所以，为了使得激光质量得到较高的输出，并且为了使激光效率更高，很多新的方法被提出。然而减小热效应最成功的方法就是将工作物质的形状加以改变。首先，板条状结构的固体激光器于1 9 7 2 年由j o n e s 提出【3 】接着，板条状激光器的专利由美国通用电气公司的c h e r o c h 和m a i t i i l 公布出了，并且由于它的介质在几何结构上具有对称性以及光路呈锯齿形，所以有效的补偿了热透镜、应力双折射和退偏效应等许多缺蒯铀j ，因此，使得板条激光放大器的研究有了重要的研究意义。1 1 1 二极管泵浦源的特点早在1 9 6 3 年，用二极管激光器作为固体激光器泵浦源的想法就被美国人纽曼最先提出。但是因为当时二极管激光器的各项性能还不是很好，所以将二极管激光器作为固体激光器泵浦源还显得不太成熟【7 捌。然而在1 9 7 8 年量子阱激光器的发明，促使二极管激光器登上了一个崭新的舞台。进入到9 0 年代以后，由于二极管激光器以及激光二极管列阵技术不断的研究与发展，使的激光二极管泵浦的板条激光放大器的研究以更加快的步伐向前发展。激光二极管一般是由g a a s掺a 1 或者h 1 材料制成的，发射的波长范围比较宽，它与固体激活离子的强吸收带相一致。激光二极管泵浦的固体激光放大器与闪光灯泵浦的固体激光放大器相比，具有如下的优势【9 】：( 1 ) 提高了系统的效率：在波长为8 0 8 n m 时，n d ”离子的吸收带与激光二极管的发射带之间存在非常好的光谱匹配，所以产生了很高的泵浦效率。实际上，闪光灯的电光转换效率高达7 0 ，但是闪光灯的发光谱线很宽，而其中只有很窄的一部分谱线的辐射才能被n d 计离子吸收，相比之下，激光二极管的电光转换效率虽然仅为2 5 5 0 ，但是它的输出波长的选择范围更大。( 2 ) 延长元件寿命：激光二极管泵浦的板条激光放大器的寿命以及可靠性等特性都优于闪光灯泵浦的放大器。这是因为激光二极管在连续的工作状态下，其寿命可以达到一万小时以上，相比之下，闪光灯在连续工作状态下的寿命只有五西南交通大学硕士研究牛学位论文第2 页百小时左右。( 3 ) 改善光束质量：激光二极管泵浦的板条激光放大器的发射光谱与n a 3 + 吸收谱线相互匹配，从而可以减小板条介质中的热量，并且降低了热透镜效应，进而改善了输出光束的质量。( 4 ) 提高了稳定性：由于激光二极管输出功率的稳定性比较高，从而使得激光二极管泵浦的板条激光放大器输出功率的稳定性小于1 。与之相比，由于闪光灯的输出功率具有比较大的噪声，最终使得它输出的功率存在不稳定性。( 5 ) 结构紧凑和多样性：由于激光二极管发射出的谱线与板条介质所吸收的谱线相互匹配，因此降低了板条介质的热损耗，并且减小了外围冷却设备，最终，我们可以获得具有较高输出功率和具有紧凑结构的放大器。与闪光灯泵浦的板条激光放大器相比，激光二极管作为泵浦源，具有输出光束方向性好的优势，从而使得新的泵浦结构成为了可能，例如板条激光放大器，端面泵浦激光放大器，光纤激光放大器和微片激光放大器等。1 1 2 板条激光放大器的特点板条状的激光放大器，指的是增益介质的形状是板条形状的。板条激光放大器的优点是：增大了散热的面积、改变了热流的方向、降低了激光介质的温度、改变了激光通过工作物质时所受到的影响，从而可以获得较高能量、高功率和高光束质量的激光输出。但是板条激光放大器并没有因为其激光介质形状的改变而改变其激发跃迁的特性l lo j 。由于板条增益介质具有三组的对称面，所以就存在有面泵浦，边泵浦以及端面泵浦这三种泵浦方式。由于面泵浦的面积比较大，因此相应的泵浦功率密度比较低一些，增益介质中增益的分布比较均匀，热梯度较小，它的缺点就是冷却面与泵浦面相重合，冷却介质很容易影响泵浦面，所以就会降低泵浦效率。边泵浦的优点就是泵浦效率比较高，并且它的泵浦面与冷却面是分开的，可使得系统长时间处于稳定工作状态，但是它有着严重的热效应，并且泵浦面积比较小，很难注入高功率的泵浦光。端面泵浦就是将泵浦光从介质的端面入射，因为板条激光放大器的端面通常更小并且是矩形状，所以对光的耦合是一项具有挑战性的工作。除此之外，还可以将板条切割成其他形状，采用更灵巧的方式来抽运【1 1 1 2 1 。板条激光放大器一般都是通过“之字形光路来补偿板条在厚度方向上的热畸变，而在宽度方向上，采用边缘绝热技术来控制方向上的热流，不仅可以减小温度梯度，最重要的是可以实现高光束质量的输出。在早期，由于板条激光放大器的泵浦源都是闪光灯，因此大部分放大器都采用侧面泵浦的结构。如图1 1西南交通大学硕士研究牛学位论文第3 页输出激光水图1 1 侧面泵浦的板条示意图均匀泵浦的泵浦源一般是闪光灯，温度在板条介质内因此呈现一维分布。热致双折射效应在此类一维热场分布中不易产生，因而有效地阻止了热退偏，但是不能防止在泵浦光方向上的热透镜效应。在板条的里面，由于信号光在两端面上发生全内反射，其因此呈现了“之字型的传播路径，因此也将其称作z i g z a g放大器。这样设计光路的目的就是使得信号光在垂直方向上将使得在不同区域的不均匀热影响发生相互抵消，最终将热透镜效应的影响减弱。通常情况下，板条并不是做成方形的，而是将两端切成布鲁斯特角，并且将大的激光介质面抛光，激光在板条内部呈“之”字形传播f 1 3 1 。由于激光二极管具有体积小、效率高、热效应小、重量轻、机械设计简单等优点，所以激光二极管泵浦的固体激光放大器成为了人们所关注的对象【1 4 】。1 2 二极管泵浦板条激光放大器的发展现状自2 0 世纪7 0 年代开始，许多国家已经开始重视对板条激光放大器的研究，尤其大力的投资发展千瓦级甚至万瓦级的板条激光放大器，主要国家有美国、日本、西欧等。经过多年的发展，板条固体激光放大器于7 0 年代末在理论上已经得到了深入系统的研究，并通过了实验验证【1 4 j ；到了八十年代，板条激光放大器开始了它快速的步伐【巧_ 剐。国外：在1 9 9 5 年，斯坦福大学的r j s k n e 等研究人员在二极管泵浦功率为2 3 5 w 的条件下，利用“之”字型n d ：y a g 板条激光放大器，实现4 0 w 输出。2 0 0 1 年t s r u t l l e 墒r d 等研究人员，利用n d ：y a g 成功制作了激光二极管侧边泵浦的板条激光放大器，光信号在板条晶体内一共折射1 6 次【1 7 - 1 9 1 。为了进一步提高板条激光放大器的输出功率，相应的提出了许多的其它方案：( 1 ) 柏林固体激光研究所用一级振荡加二级单程放大方案，使得输出功率达2 2 6 k w ，但是光束质量和期间的稳定性还需要有所改进；( 2 ) “光炉”式的结构，它是将许多的西南交通大学硕士研究牛学位论文第4 页板条介质和多根闪光灯放置在一个聚光器中，目的是用来提高信号光的输出功率和光的转化效率1 2 0 j 。夫朗和费激光技术在2 0 0 3 年发布的数据表明，在掺杂浓度为0 3 ，n d ：y v 0 4 板条的尺寸为l m m 1 0 衄1 2 i n m 的情况下，输出的1 0 “砌的高功率高质量的信号光可以达到1 1 0 w 【2 1 1 。2 0 0 1 年，板条介质的端面泵浦专利由h a g o p 圳e y a n 等人申请，它申请的板条端面切角为4 5 度，并没有设计成传统的布鲁斯特角，泵浦光从板条的底面入射，在端面反射后，沿着与板条长度平行的方向向前传播，端面泵浦的方式就这样实现了【2 1 1 。同年，斯坦福大学的t s r u t h e 响r d 等研究人员以掺杂浓度为1 的n d ：y a g 作为增益介质，成功制作了泵浦源为二极管激光器的板条激光器，其尺寸仅为1 4 5 姗4 7 5 i 姗3 5 7 衄，将2 5 m 的二氧化硅涂在板条介质的上下表面，用于保证反射；侧面涂有增透膜，并且匹配泵浦的光波长。3 0 路光纤耦合的半导体激光器构成了板条的泵浦源，单独一路的最大功率的输出值为1 0 w ，在最大的泵浦功率为3 0 0 w 的情况下，输出的信号功率大约为1 2 7 w ，厚度和宽度方向上的质量因子分别为1 4 7 和1 5 0 i 列。2 0 0 2 年美国的删公司删研制出了输出功率为5 4 k w 的激光二极管泵浦的n d ：y a g 激光放大器；2 0 0 3 年，日本的f a m7 c 公司【2 4 】利用高功率激光二极管作为泵浦源而应用在z i g z a g 光路的板条激光放大器中，实现了从单块的n d ：y a g 板条介质中可以获得6 1 k w 的信号光输出，当使用两个n d ：y a g 板条介质的时候，可以得到平均功率为1 0 2 k w 的信号光输出；并且德国的夫朗和费技术所公布的资料，利用掺杂浓度0 3 ，增益介质的尺寸为1 0 m m 1 0 0 m m 1 2 0 1 】m 的n d ：w 0 4 ，可得到1 1 0 w 的高光束质量的1 0 6 4 1 1 i i l 的信号光输出，而且在两个正交方向上的光束质量因子分别是1 3 和1 5 。光光转换效率大约是4 8 1 2 引。2 0 0 5 年，美国的诺格公司【2 6 】通过采用端面泵浦的方式，在板条放大系统中，可以得到2 5 k w 的高功率信号光的输出。2 0 0 6 年，美国的诺格公司1 27 j 通过将两路相位调制的放大链进行相干合成后，成功的实现了1 9 k w的高光束的输出功率。国内：对二极管板条激光放大器的研究主要集中在华北光电所、中科院上海光机所以及清华大学，其中清华大学发明的角泵浦y b ：y a g 复合板条结构，获得了千瓦级的激光输出，利用该板条成功的获得了1 0 1 6 w 激光的输出，光光转换效率达到了3 4 1 2 8 。2 9 1 。2 0 0 1 年，中国工程物理研究院的王卫民等人【3 0 1 ，建立了二极管侧面泵浦n d ：y a g 板条激光主振荡多程放大器，并且在10 0 h z 重复频率的条件下，通过实验获得到了单脉冲的输出信号光能量为5 1 9 m j ，光束的质量因子m 小于2 ，脉冲能量的值小于2 。在2 0 0 5 年，靳强等研究人员在清华大学的利用稳腔一非稳腔混合的板条激光器，在6 0 w 的端面泵浦的板条介质与5 0 m m 腔长的条件下，得到了波长为1 0 6 4 m n 的1 6 w 的激光连续输出以及2 7 西南交通大学硕士研究牛学位论文第5 页的光转换效率【3 1 1 。国防科技大学的刘亮等【3 l 】人在2 0 1 0 年提出了一种六边形板条激光介质的设计方法，由于激光在介质内部沿着“之 字形的光路进行传输，使得在板条介质中热致波前畸变的幅值更低，并且激光沿着板条长度方向入射的时候，激光在入射端面上的入射角为布鲁斯特角，而且激光可以完全的覆盖整个端面，在同等条件下，次结构的输出功率是普通板条输出功率的2 3 倍。1 3 板条激光放大器的结构1 3 1 激光二极管泵浦的板条放大器结构伴随着激光器件以及激光技术的快速向前发展，板条激光放大器的结构更是层出不穷。通过分析板条介质的几何结构以及泵浦方式的不同，下面总结了四种比较典型的板条激光放大器。 传统的板条激光放大器对于传统的板条激光放大器，通常是指z i g z a g 板条激光放大器，最早是由w s m 枷n 等人于1 9 7 2 年提出来的【3 2 j ，如图1 2 所示，图1 2 ( a ) 的结构采用的是与侧面泵浦的棒状激光放大器类似的水冷系统结构，泵浦光从两个大面上照射板条介质；图1 2 ( b ) 采用的是端面泵浦方式的结构，对于两个大面上的散热问题采用的是水冷热沉的方式。在均匀泵浦的时候，板条介质中的温度呈一维分布，也就是说仅仅只在垂直晶体大面的方向上存在温度的变化，也就是y 轴方向。因为一维分布的热场，热退偏在热致双折射得到抑制的同时亦被防止，然而板条介质法线方向的热透镜效应仍然会发生。一般情况下，为了达到尽可能地避免热透镜对光信号输出质量影响的目的，将两个安装水冷热沉的大面进行抛光，并且把板条介质的两个端面切成布鲁斯特角，这样激光发射出的信号光在板条介质中通过两个大面发生全内反射从而产生“之”字形向前传播，同时互相抵消y 轴的信号光在不同区域上的热影响，进一步达到削弱热透镜对信号光影响的目的。无论从信号光的输出功率还是在光束质量上，虽然这种激光放大器比棒状或者块状激光放大器都是有很大的提高，但是实际中，这种结构也存在有许多的缺点：( 1 ) 对于板条介质体积的利用率少于总板条体积的5 0 ；( 2 ) 由于布鲁斯特角的设计使得端面热量分布存在不平衡的现象，从而导致了信号光光束质量严重的下降；( 3 )由于布鲁斯特角的不对称，而导致泵浦光结构也产生了不对称，从而使得泵浦的利用率严重降低，并且使得泵浦结构的稳定性也有所下降。( 4 ) 由于板条介质的几个面都是应用了抛光技术，因此给它的加工带来了非常多的麻烦，尤其对于板条介质的两个大面，在制作过程中我们既要保证信号光在板条介质中发生全反射，同时又要安装热沉或者直接通水设备用以进行散热。( 5 ) 在大功率泵浦的情况下，由于板条介质的几个面都是抛光的，所以很容易产生寄生振荡，从而影响西南交通大学硕士研究牛学位论文第6 页了正常的信号光放大过程。下竹下仟下行输出激光泉浦光上工1 l r却水泵浦光( a ) 冷却液直接接触晶体的板条结构( b ) 通过热沉接触冷却晶体的板条结构图1 2 传统板条放大器示意图 共面泵浦折叠板条结构一共面泵浦的折叠板条结构最早是由澳大利亚的j & c h a r d s 和a m c l 加e s 提出的，如图1 3 所示，我们也可以将它看成是传统的z i g z a g 板条激光放大器的折叠结构。这种结构是将板条介质的入射面和出射面都切成布鲁斯特角，然后采用激光二极管列阵作为泵浦源，从一个侧面进行泵浦，板条介质的表面镀有8 0 8 i l m 的高反膜和1 0 6 4 m 的减反膜，反射镜的作用就是将未利用完的泵浦光再次返回板条介质中进行第二次的吸收，这样也可以使得泵浦光更加的均匀，还可以增加泵浦的吸收效率，这对于吸收系数相对比较低的n d ：y a g 板条介质有很大的好处。从下图中我们可以看出，光束每进出板条介质一次，而实际上是在板条介质中传输了两次，所以总的增益长度增加了，并且比起传统的z i g z a g 板条结构，它的增益介质的利用率提高了两倍多。白桁仆西南交通大学硕士研究牛学位论文第7 页矗b c r口1 0 0 o u u ) u t图1 3 共面泵浦板条激光放大器 角泵浦板条激光放大器角泵浦板条激光放大器是清华大学的巩马理教授等提出来的，此板条激光放大器的增益介质为键合介质，隔断介质的掺杂浓度不一样，一般情况下，中间是具有一定掺杂浓度的介质，两侧为不掺杂激活离子的基质。并且将复合介质的四个角都被切成4 5 度，在此四个角上注入泵浦光，不仅能够保证泵浦光多次的通过增益介质，而且还可以达到均匀泵浦的目的。泵浦光从四个角入射到增益介质中，并且经过全反射在增益介质内部传播，从而使得增益介质内部的光强更加均匀【3 7 3 引。清华大学正是采用了这种结构，获得了2 0 0 w 和5 0 0 w 的高质量的信号光输出【3 9 4 0 】，随后他们采用角泵浦复合板条的结构，在2 0 0 6 年得到了千瓦级的激光输出。 部分端面泵浦混合腔板条放大器部分端面泵浦混合腔激光放大结构是德国的夫朗和费激光技术所的杜克明等人于1 9 9 8 年提出的【4 2 1 ，这种结构是一种新型的结构，它的特点就是部分端面泵浦。所谓部分端面泵浦，指的就是将泵浦光整形成一条横截面为长方形的光强分布均匀的细线，然后入射到板条介质的端面，但此时的泵浦光并没有充满整个介质，仅仅只是板条介质的一部分，并且在板条介质中央形成了薄片状的增益层，这样更好与信号光的体积进行匹配，而这样设计的最终目的就是提高了光光的转换效率。同时，将其与棒状增益介质相比较，可以得出：板条结构的增益介质很大程度上增加了散热的面积，更加有效的降低了板条介质内部的热透镜和热致双折射效应对信号光的影响，从而提高了输出的信号功率和光束质量f 4 3 1 ，另外，将冷却面与通光面进行分离也可以大大降低光学加工的难度。1 3 2 激光二极管泵浦板条模块的结构常用的激光二极管放大器的泵浦方式主要有端面泵浦和侧面泵浦这两大类。西南交通大学硕士研究牛学位论文第8 页对于端面泵浦而言，其的优点包括：信号光与泵浦光之间高效的耦合效率，模式得到较完美的匹配，从而易获得高质量的输出信号光；缺点为：较低的激活区域利用率；较小的泵浦区；增益介质严重的热效应：输入端的膜层易破坏；复杂的系统设计等。对于侧面泵浦，其的优点包括：简单的结构；高功率输出：高效率的激活区域的利用；相对端面泵浦而言，较小的热效应；缺点为：输出一般为多模形式，光束的质量仍有待提高。然而对光束输出的预期指标以及实际的增益介质情况是选择泵浦方式两个重要的衡量的标准。1 3 3 板条的多程放大技术多程放大指的是激光束多次通过同一个放大器，不断的从放大器中提取能量。与单程放大器相比，多程放大器有下列优点：1 可以充分的利用泵浦功率，提高了放大器的光光转换效率。2 在固定提取效率条件的同时，多程放大的输入通量低。3 放大系统小型化，结构紧凑。但是在多程放大系统的设计过程中，需要考虑几个问题：1 尽量要将泵浦光均匀分布。2 消除光束反馈，避免产生反馈光，耗去介质中的反转离子数。通常情况下，采用f 纽a d y 隔离器消除光束的反馈，并且在放大器各个级间安装扩束镜实现光束与介质的孔径耦合，抑制衍射效应。在板条激光器发展的初期阶段，高功率脉冲的产生是建立在振荡器以及多级功率放大器的基础之上m j ，主振荡器产生适当的脉宽，功率以及一定谱宽的脉冲，利用多级功率放大器获得了高功率输出。一般，放大器设计成为单程放大，结构比较简单，级数较多。然而，多级功率放大器结构的最大缺点就是效率比较低，需要比较多的放大级数才能够获得较高的功率输出，并且放大器的各级之间需要安装很多的光学元件，空间的占据量大，对于设计小型化系统是非常不利的。在单程多级放大器的基础之上，采用多程放大技术，可以充分的利用泵浦的能量，有效的提高了放大器的提取效率。多程放大器理论从发展初期到现在，已经日趋成熟和完善。1 9 8 9 年，j m e g g l e s t o n 推导了“之”字型光路的f r a n t z - n o d v i k 理论计算公式，大大的推动了“之”字型增益介质在激光系统中的广泛应用。在国内，也有许多关于放大器中光束传输过程的相关文章【4 5 】，并且也有相关的许多成功的实验。同时也有人【钢对磷酸盐钕玻璃直通型光路与“之”字型光路板条放大系统进行详细的实验研究和模拟计算，对比了它们的增益分布、储能效率、荧光分布、光束质量和能量放大率，进一步证实了“之”字型光路板条放大系统的优点。西南交通大学硕士研究牛学位论文第9 页1 4 本文主要内容本章主要回顾了激光二极管泵浦的固体激光放大器的发展历程，阐述了激光二极管泵浦的固体激光放大器的研究现状，主要内容包括：简要介绍了二极管泵浦以及板条激光放大器的优势，以及国内外激光二极管泵浦的固体激光放大器的发展历程，介绍了几种典型的激光二极管泵浦的固体激光放大器的增益介质以及泵浦模型。本论文各章节的主要内容如下：第1 章：介绍了在国内外，泵浦固体激光放大器的研究现状，并且详细介绍了二极管泵浦的固体激光放大器的功能，研究意义以及研究背景，对它的结构以及泵浦方式等特性进行了简单的描述。第2 章：简要介绍了放大器的工作原理并推导出相应的公式，着重分析了二极管端面泵浦的固体激光放大器的增益介质的结构以及光在其中的放大过程，在理论上探讨分析了影响放大器中光放大的主要因素。第3 章：分析了影响板条中信号放大的一些因素，并且对填充因子进行详细的分析，模拟计算出了入射角，板条切角，系数k 等对填充因子的影响。计算结果说明了填充因子随着板条切角的增大而减小，随着系数k 的增大而增大，但是并不随着入射角度的增大而增大，并且在不同的切角下，其变化趋势也就不同。第4 章：“之字型光路的板条激光放大器的数学模型，并且采用光束分割的数值计算方法，利用m a n ，a b 软件编制了在单侧泵浦的条件下单程放大的反转粒子数，小信号增益系数，信号的输出功率等数据在板条内部的变化情况。模拟结果说明在泵浦功率和输入信号功率相同的条件下，“之”字型光路多程放大比直通型光路放大更有优势，并且在“之”字型光路放大的过程中，采用多程放大技术更有利于提高信号光的放大倍数。西南交通大学硕士研究牛学位论文第1 0 页第2 章板条激光放大器的基本理论在六十年代初期，人们就开始了二极管泵浦的固体激光放大器的光放大理论的研究。1 9 6 3 年，f r a n t z 和n o d v m l 4 7 j 先从四能级速率方程出发，利用非线性，与时间相关的光子传输方程来计算光信号通过增益介质时反转粒子数的变化规律，解出了增益介质中反转粒子数密度和光子数密度的表达式，这就是著名的f ra i l _ c z - 卟j o d v 设公式。1 9 8 9 年，j m e g g l e s t o n 等人推导了基于z i g - z a g 光路激光器的f 阳n t z - n o d v 伙理论计算公式。本章先从四能级的结构出发，列出了各个能级中粒子数的变化情况，推导了在稳态条件下各个能级中的粒子数以及反转粒子数的变化情况。其次，讨论了板条介质中小信号增益随泵浦的变化情况。2 1 激光放大器的增益介质特性激光放大器的增益介质是板条激光放大器的核心，是板条激光放大器领域中一直在研究并且不断在发展的方向之一。目前，最常用的一类板条激光放大器就是n d ：y a g 激光放大器。由于y a g 的基质很硬、热导率高、光学质量好，并且y a g 的立方结构对于产生窄的荧光谱线也非常有利，从而可以产生高增益、低阈值的输出信号光。并且n d ：y a g 具有非常好的物理、化学等特性而受到大家的关注。在n d ：y a g 中，n d ”粒子代替了y 3 + ，他们的粒子半径差大约为3 。因此，在制作增益介质的时候，当加入大量的n d ，增益介质就会出现应变。并且，在波长8 0 8 m 处，n d ：y a g 存在一个很大的吸收峰，最强的荧光谱线发生在1 0 6 4 姗处，并且具有比较长的荧光寿命【4 8 】。所以说将n d ：y a g 材料作为激光放大器的增益介质具有极大的潜力。将n d ”作为激活粒子，具有下列许多的优点：吸收系数较大；吸收带较宽；亚稳态的4 f 3 也寿命较长，处于亚稳态与终态之间的4 f 3 忍到4 f i l 2 粒子跃迁时能够发射出1 0 6 0 锄的强荧光。另外属于4 能级系统的n d 3 + 粒子在室温时终态已经不存在粒子，所以它比较容易实现室温下的信号光的输出。原因是其从基态到终态的距离约等于2 0 0 m m ，如此大的间距，当温度在一定程度的范围变化时，粒子数亦不会存在于终态能级，从而保证了激光的性能。此外，钕粒子的荧光线对外界温度的变化非常不敏感；具体来看，当温度从室温降低到液态温度时，其仅仅降低1 0 。正是其具备如此多的特点，钕离子激光器工作在1 0 0 0 c 1 0 0 0 c 温度范围内的时候，性能相当地稳定。n d ：y a g 的简化能级分布如图2 1 所示。上能级的自发辐射寿命为数百“s ，其位于4 f 3 2 的正下方，而处于4 f 1 l 忍多重态下方的为终态激光能级。通过向约1 9 5 m m 。1 的基态的4 f l l 彪无辐射自发跃迁后，次能级将排空。西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页4 凡，- 。f u ：一r 、? 曩。一。_ 。j “镰1 。“图2 1n d ：y a g 中n d 3 + 的部分能级图2 2 板条激光放大器的光放大理论2 2 1 光放大的基本原理“1 1 3 9 0 c m2 2 6 0 c m 。压稳态图2 2 简化的三能级示意图在室温的条件下，所有的原子都处在最低的e 1 能级上，并且在此能级上的原子会将大部分入射到介质中的光子吸收掉，最终光子将上升到e 2 能级上，此时通过介质的入射光的强度逐渐减弱，这是因为入射光被吸收了。当原子处在非热平衡下的集合时，则低能级e 1 上的原子数远远少于激发态e 2 能级上的原子数，为了能级之间的平衡，这就使得能级e 2 上的原子向能级e l 反转，这种现象被称之为粒子数反转。然而，一些亚稳态的存在促使反转的实现，并且能级e 2 的寿cnhm吣洲伽m 。5o0mn959舅砉；撇晰西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页命比能级e 3 大很多，它的寿命约为e 3 的一亿倍，所以称e 2 是亚稳态，在有入射光的作用下，原子由能级e l 被激发到e 3 能级，在e 3 能级上停留的时间是非常短，于是大量原子很快就会反转到亚稳态e 2 上，最终就会使得e 2 能级上的粒子数有可能比e - 能级上的粒子数多很多，这就是粒子数反转的形成过程。此时仅仅有一个入射的光子引起的受激辐射比它被吸收的几率要大很多，并且辐射的过程远远大于吸收的过程。所以，我们了解到入射光线穿过增益介质时产生的受激辐射信号光的强度增大，即光的强度得到放大。激光放大器就是利用这一原理制成的。由此可见，激光放大器能将信号放大的两个主要因素有：( 1 ) 增益介质能经受粒子的激发而使信号光的强度放大；( 2 ) 泵浦装置可以将激活介质产生粒子数发生反转。泵浦装置的作用就是可以使得大量的原子由能级e l 提升到能级b ，从而产生粒子数反转，由于闪光灯可以产生粒子数反转而作为泵浦源，同样，光泵浦也可以，而放电装置也能使原子相互碰撞而引起粒子数反转，在本论文中，我们采用的是激光二极管作为泵浦源。2 2 2n d ：y a g 的速率方程n d ：y a g 四能级系统示意图如下图所示。图中磊为基态，互与e 分别代表下、上能级，b 为泵浦吸收带。6 l ，：与口1 2 ，分别是是上能级与下能级的斯塔克子能级。一般情况下，互与岛能级上的粒子数在常温条件下呈波尔兹曼分布。基态的粒子数因为泵浦的缘故，将会被抽运到泵浦吸收带，通过无辐射跃迁到达局的吸收带。丘的极小部分粒子数因为自发辐射的作用而跌入下能级吸收带。在短暂的能级寿命的条件下，停留在巨的粒子数相当少，基本上所有的粒子都将被弛豫到基态。此辐射一弛豫过程使得易积聚了大量的粒子数，增益介质在激光输入的时候，就会由于受激跃迁的作用而发射激光。图2 3 四能级示意图西南交通大学硕士研究牛学位论文第1 3 页n d ：y a g 材料的激光跃迁发生在b l 和a 2 之间，下面我们给出了每个能级上粒子数的变化情况。?鲁= 概。飞( 坞。)( 2 1 )鲁= 一o ：一刀。炽。一刀：o ：。+ s ：。) + 心岛：( 2 2 )等= g ：叫慨m ：( 么：。+ s ：。) 1 墨。( 2 3 )鲁弘耻碱，奶4 。，z 幻f = 即o + ，2 1 + ，2 2 + 愧碱，= 斋12 伊仃2 1 v( 2 4 )( 2 5 )( 2 6 )( 2 7 )式( 2 1 ) ，( 2 2 ) ，( 2 3 ) ，( 2 4 ) 即为在增益介质中同时存在泵浦、吸收、自发辐射和受激辐射时各能级上的粒子数密度随时间变化的速率方程组。其中，刀d 、刀，、砌、珊分别表示基态、下、上能级，以及泵浦吸收带粒子数的密度，表示受激吸收速率，9 表示信号光的光子数密度，c 表示光速，r 表示激光上能级的命，囝，表示介质受激发射截面，表示泵浦速率，& ，约等于零。在四能级系统中，上能级离子数会随着泵浦过程而增加，因受激发射和自发辐射作用跌入下能级而下降。下能级驰豫效应过程由下能级寿命z 决定。在理想条件下，r ，d 约等于o ，且咪 坳，则约等于伽，大多数粒子数沉淀在基态。呦珊代表了在单位时间单位体积内从激光基态跃迁到上能级的粒子数目。当激光放大器工作达到稳定的时侯，抽运和跃迁就达到动态平衡，各能级上的粒子数密度并不随时间而改变，即为堕：o击砌，、o = u衍砌1no = u馥砌on一2u衍( 2 8 )西南交通大学硕士研究牛学位论文第1 4 页则式( 2 1 ) 至( 2 5 ) 可以简化为：刀3 = 学( 2 9 )”雩坠掣( 2 1 0 )刀，= 二二- - -l z ju )1 + 4 2 1、7驴等( 2 1 1 )”巧虿南习i 巧。1 2 )又由于反转粒子数，7 = ”2 ，所以根据上面的公式，我们可以得出反转粒子数的变化情况。2 3n d ：y a g 板条中的增益在板条激光放大器的设计中，小信号增益以及损耗是最重要的参数。它反映了光信号入射增益介质之前增益介质内的储能情况，与泵浦输入功率、脉宽、泵浦藕合效率以及增益介质构型有关。小信号增益系数的大小直接反映了增益介质储能的多少。所以，对激光放大器的小信号增益作数值和实验上的研究具有很重要的。2 3 1n d ：y a g 板条激光放大器的能量转换过程在了解小信号增益之前，我们应该先了解一下激光放大器的能量转换过程。激光二极管泵浦的板条激光放大器( n d ：y a g ) 的能量转换过程就包括介质的储存能量和提取光信号能量的两个过程。而介质的储存能量的过程就反应了泵浦源的输出能量与介质的储能的关系。所以在研究激光放大器之前有必要了解一下激光放大器的能量转换的过程。激光放大器的小信号增益与介质的储能不仅与泵浦源泵浦功率的大小有关系之外，还与泵浦的耦合效率，增益介质对泵浦光的吸收厚度，等很多因素有关系。当然，这种能量转换的过程可以简单的分为三个步骤：( 1 ) 首先是泵浦功率到板条激光放大器增益介质吸收能量的转换；( 2 ) 增益介质吸收的能量到激光上能级储能的转换；( 3 ) 增益介质的上能级储能到输出信号光的转换。所以，在固体激光放大器的设计中，小信号的增益是最为重要的参数。信号增益大小可以直接反映增益介质储能的多少，所以我们对激光放大器的小信号增益作数值模拟就具有非常重要的意义。西南交通大学硕士研究牛学位论文第15 页2 3 2n d ：y a g 板条中小信号增益系数通常情况下，用增益系数g 来表示信号光强经过单位长度后的增长率。如图2 4 所示，li- - - 图2 4 光在增益介质中的放大图假设在z 处的信号光强为删，则在z + 如处的光强就是删+ 矗例，系数定义为：f r = -d i ( z 、6j ( z 、d z则将增益大部分情况下，由于大量的激光放大器的增益介质属于四能级系统，所以我们应该先从四能级速率方程出发，计算出在不计损耗时增益介质中光子数密度够的速率方程：譬：c 如2 。，l( 2 “)衍“、由于，7 = 力2 一刀l( 2 1 5 )，( z ) = 枷v cd z = c d t我们可以得到增益系数的表达式就为：g2 刀仃2 l( 2 1 6 )( 2 1 7 )( 2 1 8 )西南交通大学硕士研究牛学位论文第16 页由上式我们可以看到，增益系数的大小正比于反转离子数的密度。2 3 3n d ：y a g 板条中小信号增益与泵浦功率的关系从g = 册式，我们可以知道，增益g 的变化反应了增益介质中反转粒子数密度的变化。光信号在放大的过程中，增益介质2 的变化是受到输入泵浦功率大小的影响。放大器增益介质的损耗将会降低激光束提取的能量，影响信号光的提取效率：增益介质下能级的弛豫时间越短，下能级的离子数排空到基能态的速度越快，增益介质就能够保持比较高的反转粒子数密度，输入的泵浦光使得发生反转的粒子数越多，信号光就能够得到更多的功率。g芒簌髅：摧粤心逛墨蒙垛耀磐皿h譬( a )西南交通大学硕士研究牛学位论文第1 7 页量藉垛耀磬n 卜誓( c )图2 5 ( a ) 泵浦功率卫8 0 0 w ，2 0 0 0 w 时的小信号增益系数( b ) 8 0 0 w 的泵浦与小信号增益系数的关系( c ) 2 0 0 0 w 的泵浦与小信号增益系数的关系图2 5 ( a ) 是对端面泵浦的单程板条激光放大器进行数值模拟计算的结果。其中，虚实线分别代表的是泵浦功率在2 0 0 0 w 和8 0 0 w 的条件下，增益系数随着板条长度的变化情况。从图中可以看出，小信号增益对着泵浦功率的大小成正比的关系，并且在泵浦功率输入比较大的情况下，小信号增益较高，反之则较低，所以，增强板条的泵浦输入功率将有利于提高小信号增益系数，从而提高了放大器的输出功率。同时，增加板条的长度，同样也可以增加小信号的增益系数，但是板条的轴向长度也不能太长，它受限于板条的增益饱和效应和自发辐射损耗，两者都将会降低单程激光放大器的输出功率。从图2 5 ( b ) 中可以看出：当泵浦功率为8 0 0 w 的时候，小信号增益系数的最大值是0 s c m 。从图( b ) 中我们看到，当泵浦功率增大到2 0 0 0 w 的时候，小信号增益系数的最大值是1 4 c m 一。当输入泵浦功率比较大的情况下，小信号增益与泵浦之间的指数增长关系更加明显。2 3 4n d ：y a g 板条激光放大器中的损耗对于板条激光放大器来说，主要的损耗就是：增益介质的内部损耗( 用夕来表示) ，胪1 一e x p ( 一al ) ，a 为增益介质本身的吸收、散射、衍射损耗等。n d ：y a g介质的散射损耗为o 0 0 2 c m ，板条的长度为4 c m ，则单程散射损耗就是4 0 0 0 2 = 0 8 ；n d ：y a g 为四能级结构，重复吸收的损耗为零，衍射损耗与菲涅尔数有关。2 4n d ：y a g 板条激光放大器的总体效率西南交通大学硕士研究牛学位论文第18 页在所有激光放大器的设计过程中，首先要解决的主要问题就是在定的泵浦功率下，如何提高放大器的总体效率以及产生较好的光束质量，n d ：y a g 板条激光