（光学专业论文）调q全固化激光器研究.pdf

南开大学硕士论文i t) 要 摘要 本文首先采用描光路的方法计算了 全固化激光器中的搞合系统一透镜导管 输出光在l d慢轴和快轴方向上的光束特性， 证明了 通过透镜导管可以得到平滑 而对称的输出光分布 根据计算提出了两种结构的透镜导管: 一种是单次反射型， 另一种是“ 会聚” 型透镜导管 这两种透镜导管均具有输出光在截面上分布良 好， 且传输效率高的特性。 通过分析， 我们认为无须将快轴方向的发散角压缩到很小， 只需利用微柱透镜将其压缩至与慢轴方向的发散角相接近即可通过透镜导管输 出 接近圆形的泵浦光斑，使光束截面在二维上均接近高斯分布. 接 下 来 我 们 作了 调q的 理 论 分 析， 包 括调q的基本理论，主动调q 以 及被动调q的优化理论。 通过拉各朗日 乘子法， 解调q的基本方程，得到单 脉冲能量取最大 值时， 调 q的各种参数可以利用一个表征系 统增益与 损耗的比 值的参数( z ) 来方便地得到 验中 设计了 适合于本实 验结构的 调 q系 统，包 括基于透婉导管藕合的激 体; 利用l d脉冲电源输出 的监视信号设计的用于电 光调q晶 体退压的同 步 触 发 电 路 ; 可 以 方 便 调 节 偏 振 片 倾 角 的 偏 振 片 调 节 架 等 、 . _ 实验中 得到的调q脉冲的脉宽 在4 0 。 一8 0 n s 之间， 早脉冲能重 在0 ,5- 0 . 8 m j ， 动静比大于5 0 % 。 通过设计实 验， 精心调节 腔镜及调节调q晶 体触发信 号的延迟，得到以下实验结果 ( 1 ) 利用两面不同反射率的输出 镜，通过测量两个阁值而得到腔内的损耗为 3 4 .7 4 % 这个损耗值t 匕 较大，可能是由于普克尔盒k d p晶体的光轴与腔的 中公 轴不平行造成的; ( 2 ) 改变 泵 浦电 源 的 脉宽 得 到最 佳的 泵 浦 脉宽 范围 在2 3 0 p s 一2 5 0 f s 之间， 即在 激光晶体n d :y a g的上能级寿命附近; ( 3 ) 验证了泵浦功率与输出 脉宽的关系 ， 理论分析与实验结果符合、 并得到结论: ， 若要得到n s 级的脉冲， 泵浦水平至少要达到峰值功率1 7 0 w; ( 4 ) 实 验中 发现了 脉冲 被不同 须率 调制的 现象， 对于高 频调制， 传统的 解 释是由 于 纵模差拍” 造成的， 但这种理论不能解释实验中 发现的调制频率为功 0- 4 0 0 n / r r r 7,的脉冲升 干宋给 中大s r , h 调a d 1 f 率吞 mmt 1 7 t h a i c ) + a 4 1 ; 1 =k r 这是激光横模的不稳定造成的 关键词:d p s s l，全固 化，透镜导管，调q di s s e r t a t i o n f o r i v i s _d n a a k a i u n i v us i t y abs t r八c t abs tract d p s s l h a s b e c o m e a r e s e a r c h f o c u s i n r e c e n t y e a r s , d u e t o it h a s h i g h e r c o n v e r - s i o n e f f i c i e n c y , h i g h e r b e a m q u a l i t y a n d e a s i e r t o b e m a n a g e t h e n c l a s s i c a l s o l i d s t a t e . i t i s c a l l e d a l l s o l i d s t a t e l as e r a s i t s d e v i c e s a r e a l l s o l i d s t a t e a t fi r s t , w e c a lc u l a t e t h e b e a m p r o fi l e s o f t h e l e n s d u c t o u t p u t b a s e d o n r a )- t r a c i n g i n s l o w a n d f a s t - a x e s d i r e c t i o n s t o d e m o n s t r a t e t h a t a s m o o t h a n d s y m m e t r i c b e a m c a n b e o b t a i n e d f o r s o l i d - s t a t e l a s e r p u m p i n g w it h h i g h p o w e r l a s e r d i o d e a r r a y s . b a s e d o n t h i s a n a l y s i s w e p r e s e n t t w o k i n d s o f l e n s d u c t : o n e i s s i n g l e - r e f l e c t i o n a p - p r o a c h , a n o t h e r i s c o n v e r g i n g a p p r o a c h , a l l h a s g o o d o u t p u t b e a m q u a l i t y a n d h i g h d e l i v e r y e f f i c i e n c y . we f i n d t h a t i f t h e d i v e r g e n c e a n g e l i n t h e f a s t - a x i s d i r e c t i o n i s c o n t r o l l e d t o b e a b o u t t h e s a m e a s t h e s l o w - a x i s d i r e c t i o n b y a s u i t a b l e m i c r o - l e n s , i t i s p o s s i b l e t o o b t a i n a s y m m e t r i c p r o f i l e i n t h e t r a n s v e r s e p l a n e f o r t h e o u t p u t b e a m f r o m t h e l e n s d u c t t h a t i s c l o s e t o a 2 - d i m e n s i o n a l g a u s s i o n d i s t r i b u t i o n t h e n w e a n a l y z e t h e q - s w i t c h e d s y s t e m , i n c l u d i n g t h e b a s i c q - s w it c h e d , a c t i v e a n d p a s s i v e l y q - s w i t c h e d s y s t e m. we a p p l y t h e l a g r a n g e mu l t i p l i e r t e c h n i q u e t o d e t e r m i n e t h e o p t i m u m m ir r o r r e fl e c t iv i t y f o r t h e g i v e n p u m p l e v e l , s o t h a t o n e c a n g e t t h e o t h e r k e y p a r a m e t e r s f r o m a s i n g l e v a r i a b l e z d e f in e d a s t h e r a t i o o f t h e u n s a t u - r a t e d s m a l l - s i g n a l g a i n t o t h e n o n - u s e f u l o p t i c a l l o s s we h a v e d e s i v n e d a q - s w it c h e d s y s t e m s u i t a b l e f o r o u r e x p e r i m e n t , i n c lu d i n g t h e m a i n l a s e r c o u p l e d w i t h a l e n s d u c t , t h e s y n c h r o n o u s t ri g g e r c i r c u i t w t n c n i s u s e a t o t h e p o k e l - c e l l , t h e a d j u s t m e n t r a c k f o r p o l a r i s c o p e e t c t h e p u l s e t r a i n w i t h p u l s e w i d t h a b o u t 4 0 - 8 0 n s , p u l s e e n e r g y a b o u t 0 .5 - 1 m j a t f r e q u e n c y b e t w e e n 2 0 - - 5 0 h z a n d t h e w e r e o b t a i n e d i n e x p e r i m e n t s . w i d t h o f p r im p i n g s o u r c e w e r e t h e r a t i o o f d y n a m i c s t a t e t o s t a t i c s t a t e i s o v e r 5 0 % n o n - u s e f u l l o s s o f c a v i ty a n d t h e o p t i m u m p u l s e g o t , a n d t h e r e l a t i o n s b e t w e e n t h e p u m p i n g p e a k p o w e r a n d o u t p u t p u l s e w i d t h a r e t e s t e d a n d v e r i f i e d . we 乡 v e l a t e d p u l s e s i n e x p e r i m e n t d i f f e r e n t e x p l a i n t o t h e m o d u - k e y wo r d s : d p s s l - a l l - s o l i d - s t a t e l a s e r , l e n s d u c t , q - s w i t c h 第一章 激光二极管泵泵浦固 体激光器 d p s s l)简介 替 n d :y a g 的实 验。随之对d p s s l 的激光技术， 如调q 、 倍频、 锁模等技术也有 大量的研究报导。在l d 泵浦下，用环形腔、扭转模腔、短单片腔及腔内标准具 等方法均可实现单模运行，得到窄线宽的激光光源;以l d 泵浦的调q 倍频 n d :y a g 激光器泵浦 钦宝 石， 可以得到可调谐的 激光光源;利用 锁模可以获得p s 级的脉冲 总之，在d p s s l 中 可以实现已 有的所有激光技术。 目 前5 - 2 0 w的连续输出的l d已有系列产品，l 0 0 w左右的产品也己出现。峰值 为5 0 w, 1 2 0 w, 2 5 0 w, 5 0 0 w, 1 5 0 0 w及3 0 0 0 w的准连续l d 已商品化随着l d 的发 展，d p s s l 也取得了很快的发展，并达到了实用水平，c o h e r e n t , s d l , s p e c t r a - p h y s i c s 等公司现已 经营各种型号的连续及脉冲运转的d p s s l , 吞 1 .2 d p s s l 与l d 及传统的激光器 相比具有的 优点及其面临的问 题 与l i ) 及传统的固 体激光器比较，d p s s l 有以下优点: l . 窄线宽:由于激光二极管的腔较短以及镜片的反射率较低，导致腔寿命 很小，其线宽 通常为0 .0 2 - 2 n x r , ，而固 体激光器的腔寿命可以达到激光二极管的 1 k 倍数量级，线宽通常为0 . 0 0 0 1 - - 0 .0 1 m m。另外，l d 的输出波长随温度、电a l. 的 变化而发生明显变化，而d p s s l 输出的波长漂移量很小，采用环形腔结构等方 法可以得到窄线宽甚至单纵模的激光输出 2 . 高 峰值功率:固 体激 光器由 于 介质上能 级寿 命较长 能 量存储能力比 l d 高 许多，因 此可以 获得高 峰值功率的 调q 脉冲 偷出 。 3 、 发散角小:由于l d 腔结构决定的输出光的发散角比 较大，一般情况下 垂直于p - n结的方向的发散角大约为4 0 0 ，平行于p 一节方向的发散角大约为 1 0，光束质量比较差， 这样在某些场合使用起来就很不方便，需要复杂的4 4 合 系统及准直系统等。而d p s s l 的发散角就很小，尤其是端泵浦的d p s s i a 9- 容易 做到墓模礴 汀 射极限的光束，这样更有利于激光的应用. 4 . l d 泵浦比灯泵浦更有效。l d 的辐射谱很窄而且可以调节到跟激活晶体的 吸收语重合， 使得l d 的辐射转化为激光输出 的效率很高;而灯的光谱带宽就很 宽，这样就只有一小部分灯的光转化成有用的激光输出，如图1 .2 所示。同时由 于宽的泵浦带宽造成介质中反转到其他能级上的拉子比较多，这些反转杜子不 能形成激光，只能转化为热，不利于激光的产生 5对同样的l o w激光输出，灯泵浦的激光器需要的电能是d p s s l 的i s 倍左 右，而对氮离子激光器则需要大约7 0 倍的电能灯泵浦的激光器和气体激光器 中残留的能量大部分转化成热量，需要水冷系统。并且，由于这些系统需要更 多的电能，激光头和电力提供系 统的尺寸就会很大，而d f s s l 有小的激光头和 电源，也可以不需要水冷，并且在低电 压下工作。 第一章 激光二极管泵泵浦因 体激光器 d p s s l) 简介 6 . 高质量光束:选择合适的腔结构，使输出光满足切割、标记、检测等工 艺所要求的精密度和稳定度。 f , e e , s i n . s p e d m m o f l n m p - 一入 卜 . . a ,-5 c - e r l a s e r c rv s w e m i s s i o n s p ect ra, o f l ue r d i o d e _ )、一 人 、 图1 .2 激光晶体的吸收光语和泵浦灯及l d 的 发扮光谱 对于d p s s l ，现在面临的最大问题就是l d 的价格太高 市场上的低功率连 续工作的 l d ，大约 在3 0 0 0 元/ 瓦，高 功率的 相对来说， 每瓦的价榕更高 一些;对 准连续工作的激光二极管， 峰值功率在5 0 0 瓦以上时， 其价格往拄要超过1 0 0 0 0 美元 人们预测如果大功率l d 及其阵列的价格下降1 - 2 个数量级，全固 化激光 器将取代灯泵浦的固 体激光器，并部分取代染料激光器和气体激光器而成为主 流激光器。 参考文献 t 1 r .n e w m a n , e x c i t a t i o n o f t h e fl u o r e s c e n c e i n b y r e c o mb i n a t i o n r a d i a t i o n i n g a a s , j . a p p l .p h y s , 1 9 6 3 , 3 4 : 4 3 7 2 r .j .k e y e s a n d p .m.q u is t , i n j e c t i o n l u m i n e s c e n t p u m p i n g o f w i t h g a a s d i o d e l as e r s . a p p l . p h y s . l e t t ， 1 9 6 4 , 4 : 5 0 3 1 m .r o s s , y a g l as e r o p e r a t i o n b y s e m ic o n d u c t o r l as e r p u m p i n g , p r o c .i e e e , 1 9 6 8 , 5 6 : 1 9 6 汇 4 l .c .c o n a n t a n d c . w.r e n o , g a a s l a s e r d i o d e p u m p e d n d : y a g l as e r , a p p l .o p t . , 1 9 7 4 , 1 3 : 2 4 5 7 t 5 j .e .j a c k s o n a n d r .r .r i c e , o u t p u t f l u c t u a t i o n s o f h i g h - fr e q u e n c y p u l s e - p u m p e d n d : y a g l a s e r , j .a p p l t h y s ., 1 9 7 4 , 4 5 : 2 5 5 3 上 6 g .i .f a r m e r a n d y 工ck ia n g , l o w - c u r r e n t - d e n s ity l e d - p u m p e d n d : y a g l a s e r u s i n g a s o l i d c y l i n d r i c a l r e f l e c t o r , j .a p p l .p h y s ，1 9 7 4 , 4 5 : 1 3 5 6 1 3 7 1 - 一 g a s i o n l a s e r 6 0 0 0 w e l e c t r i c a l i n p u t 5 9 9 0 w he a t d lo d e - p u m p e d l a s e r .叫.卜 1 o o w e l e c t r i c a l i n p u t l o w l ase r o u t p u t 一 婴eat 工 _ j . r o s e n k r a n t z , l as e r , j . a p p l . p h y s . , g a a s d i o d e - p u mp e d n d : y a g 1 9 7 3 , 4 3 : 4 6 0 3 - 4 6 0 5 图1 3同样输出光功率下不同激光器输 入功率与产热比较 r .b .c h e s l e r a c r d d .a.d r a e g e r t , 1 9 7 3 , 2 3 : 2 3 52 3 6 mi n i a t u r e d i o d e - p u m p e d n d : y a g l a s e r , a p p l . p h y s .l e tt . , 718 第一章 激光二极管泵泵浦固 体激光器 ( d p s s 1 )简介 9 1 d .a . d r a e g e r t , s i n g l e - d i o d e e n d - p u m p e d n d : y a g l a s e r , i e e e j . q e . , 1 9 7 3 , 9 , 1 1 4 6 - 1 1 4 9 1 0 f i .p .we b e r , t .c . d a m e n , h .g .d a u r i e l m e y l e r , a n d b . c .t o f i e l d , n d - u l t r a p h o s p h a t e l a s e r , a p p l .p h y s . l e t t . , 1 9 7 3 , 2 2 : 5 3 4 - - 5 3 6 川 k .k u b o d e a n d k .o t s u k a , e f f ic i e n t l in d p 4 0 ,2 l a s e r p u m p e d w it h a la s e r d i o d e , a p p l o p t 1 9 7 9 , 1 8 : 3 8 8 2 - 3 8 8 3 ( 1 2 1 t .y .f a n , a .c o r d o v a - p l a z a , m .j .f .d i g o n n e t , r .l .b y e r ,a n d h .j .s h a w , n d : mg o : l i n b o , s p e c t r o s c o p y a n d l a s e r d e v i c e s , j .o p t .s o c .a m e r .b , 3 : 1 4 01 4 8 1 3 j . s t o n e a n d c .a . b u r r u s , n e o d y m i u m - d o p e d f i b e r l a s e r s : r o o m t e m p e r a t u r e c w o p e r a t i o n w i t h a n i 川 e c t i o n l a s e r p u m p , a p p l . o p t . , 1 9 7 4 , 1 3 : 1 2 5 61 2 5 8 1 4 1 b i n g k u n z h o u , t h o m a s m a a d , g e o r g e j . d i x o n , a n d r o b e rt l . b y e r , e f f ic i e n t , f r e q u e n c y - s t a b l e l a s e r - d i o d e - p u m p e d n d :y a g l a s e r , o p t . l e tt . 1 9 8 6 , 1 0 ( 2 ) : 6 2 - 6 4 l 5 t .y .f a n , g .j . d i x o n , a n d r .l .b y e r , e ff i c ie n t g a a la s d i o d “ 一 !a s e r - p u m p e d o p e r a t io n o f n d :y l f a t 1 . 0 4 7 p m w i t h i n t r a c a v i t y d o u b l i n g t o 5 3 2 . 6 n t n , o p t . l e tt . , 1 9 8 6 , 1 1 :2 0 4 - 2 0 6 第二章 全固 化激光器币的 藕合系 统一透镜导管的a 化设计 第二章全固 化激光器中的藕合系统一 透镜导管的简化设计 9 2 . 1 引言 激光二极管 ( l d ) 辐射的激光束的方向性较之其他类型的激光器要差得 多 一典型的l d 线阵 a s i n g l e b a r ) ，其 慢轴方向的长度约为l o m m , 慢轴平面 内的发散角约为1 0 0 ，而其快轴方向的宽度约为l ,u m ， 对应的快轴平面内的发散 角约为4 。 现在应用的功率较大的l d 为多个线阵构成的矩形l d 面阵 近年来，l d 端泵浦固 体激光器得到了 很大的发展，在端泵浦方式中需要在 l d 和激光棒之间加入特殊的藕合系统，将l d 发出的大发散角的泵浦光有效地藕 合到激光棒中。已 有的4 9 合系 统有非球面透镜组旧 、梯度折射率透镜川 、光纤藕 合r 1 、直接近福合p i 等，它们有各自 的使用范围。对于l d 阵列结构。由于它由 一系列不连续的 发光点组成，光学系 统中经常使用的成象系统不可能将l d 发出 的光会聚成一点，这很不利于输出高质量的光束利用一种新型的非成象光学 元 件一 透镜导管 作为 辐合系 统可以比 较 好地解决 这个问 题卜 s 透 镜导管具有结 构简 单、 传输效率高 等特点并且加工方 便。 对于快轴平面内的较大的发散角，一般要用安装在l d 阵列发光面上的微柱 透镜阵列将其预压缩，然后通过透镜导管将预压缩的泵浦光搞合到激光棒中 一般拉光纤工艺可以方便地生产出 价格便宜的柱透镜同 。用微柱透镜一般可以 可将l d 的快轴平面内的大约4 的发散角压缩至几度 我们用儿何光学方法和数值计算对透镜导管进行了 设计，提出了简洁的设 计思路及方法 2 . 2透镜导管简 介 透镜导管的形状 如图1 所示。材料可以 根据需要选用合适的 光学玻璃，其输入面 为球面，侧面和愉 出 面均为平面，构成一 f i g .2 . 1 s c h e m a t i c d ia g r a m o f l e n s d u c t 个特殊形状的棱体. 它靠球面的会聚和侧壁的全反勃 将入射的光收集到它的输出端面。 第二章 全固 化激光器中的 藕合系统 一 透镜导管的简化设计 好的藕合系统应该具有高 传输效率、好的输出 光束质量 根据不同的 l d 及 不同的激光棒可以选择不同的透镜导管参数， 保证光在透镜导管内壁上的反射 均为全反射，使透镜导管有高的传输效率，同时可以使透镜导管输出泵浦光分 布良 好，利于输出光束质量好的基模激光 怪 2 . 3透镜导管的简化设计 一般认为，透镜导管的长度应近似于球面曲率所决定的焦距 f 二 : x 叭二 一 1 )其书为 球面 的 曲 率 半 径， n 为 透 镜导 管 材 料 的 折 射率 ， 使 未 经 侧壁反射而由球面会聚直 接到达端面的光束充分进入激光介质 理论分析和实验证明，透镜导管各面的尺寸及总的长度时输出光的分布影 响很大。用描光路的方法对透镜导管进行了 优化设计，提出了我们的设计思路 和方法 透镜导管对光线的折射和反射的示意图 如图2 所示 将愉入面的球心定为坐 ( ) ,0 )x , 为l d 的发光点以下以y o o 的发光点为例 简要说明设计计 1身x j厅三 标原点 算方法 角度的符号规则:光线与坐标轴的夹角由坐标轴算起， 入射角、 角由光线算起，顺时针方向形成锐角为正值，反之为负 值。 、 l( “ y ,愁 ;sin 出一 t9 . ( x o p c) ) 甘 寸 _ h i 一 、. 二 二 f/ 产 hl d泛布布- 州 卜 f i g . 2 之 p a r a m e t e r s o f l e n s d u c t 与 x 轴夹 角 为h 的 光 线 对 应的 球面 上 的 入 射 点( x i , y i ) 由 以 下 两 式 决 定 : y : 一 y o = t a n ( 一 仍x ( x ; 一 x o ) x 12x , + y ez 一 尸 ( 2 . 1 ) ( 2 . 2 ) 式中 r 为透镜导管输入面的曲率半径 通过球面的光线满足折射定律， n x s i n ( 8 2 ) 二s 式中 入 射角 为已 = - b 十 ar cs in ( y , / r ) ， i n ( 0 1 ) 02 为 折射角。 ( 2 . 3 ) 第二章 全固 化激光器中的搞合系统一 - 透镜导管的简化设计 透 镜导 管内 部的 折射光线与 侧壁的交点 x 2 y 2 ) 由 以下两 式 决定: y 2 一 y i 二 ( x 2 一 x i ) 、 t a n 0 2 一 a r c s i n ( y , / r ) ， ，: 一 h , / 2 h , / 2 一 1 1 , / 2 ( 2 . 4 ) ( 2 - 5 ) z 2 + 硕 : 一 ( i t , / 2 ) 一2 二 ( h , / 2 ) a 式中h , , h .2 分别为 透 镜导管输入面 和输出 面的 宽 度， 一 ( 1 一 r ) 2 为透镜导管的长度 第一反射光线与x 轴的夹角为 9 3 = 0 2 - 式中。 为透镜导管斜壁的倾角 a r c s i n ( y , / r ) + 2 a ，满足: h, 一 h2 ( 2 石 ) s i n ( a ) ( 2 . 7 ) 2 x ( 1 一 r ) + v 4 r “ 一 h i 2 若有多次反射，则下一个反射点由以下二式决定: y 3 一y 2, =( x 3 一 x 2 ) ( x : 一 x 2 ) x 汀 一 g 3 ) - 0 3 ) ( 2 . 8 ) y 3 + h, / 2 石 r 2 - (h 不) 2 - - h, / 2 + h2 / 2 一 沂 一马h , /2 ) 2 一 (l 一 y ( 2 - 9 ) 此后的反射光线与侧壁的交点及y o q ) 的 发光点的情况以 此类推 在设计透镜导管时，当 光线 每次从透镜导管侧壁反射后， 令反射角与由透 镜导管的 折射率n 决定的全反角a r c s i n ( l l 的比 较， 一旦不满足全反射条件，即终 止计算，说明此种情况下的透镜导管结构是不合理的 通过计算机数值法处理以上所有方程，计算了 正负 发散角间的光线轨迹 光 线 在 透 镜导管内 的 光 路及 分布 情 况 如图 3 e 图中 h , 为 l d 的 宽 度 从图3 可以看出，对于透镜导管内的不同位置光线的分布也不同，有些地方 比 较均匀。有些地方有疏有密，而且在模拟光线不太多的时候，可以清楚地看 第一二 章 全固 化激光器中的藕合系 统一透镜导管的简 化设计 出 光线在某个特殊的位置几乎会聚在一起，这是一个很有用的现象 下面采用 了两种优化设计的方法 设计时采用的l d 由5 个l d 线阵构成 ( 5 b a r ) ，每个线阵长l o m m 慢轴方 向) 线阵间隔5 0 0 p m ,因 此沿快轴方向的总的宽度为 2 m m 。慢轴平面内的发 散角为1 0 0 ，快轴平面内的发散角经微柱透镜被压缩为3 计算时将途镜导管和 l d 之间的距离取为m m ma ( 1 ) 二一次反射型 设计了所有光线经一次全反射就从端面输出的透镜导管，结构如图4 所示 其设计原则是使由发散角限定的l d 的最外侧的光线经透镜导管侧壁一次全反射 后从输出端面的中心输出。经统计计算，输出端面附近的相对光强分布如图5 所 示为,3 z 便起见，描输出光线时没有考虑玻璃一空气界面的折射 一 一. , 1 omm, r-10mm =11.6mm,h z -2.91 ; l =24imn 一 广 迄鬓琴黔甲竿 f i g . 2 .4 r a y t r a c e s i n t h e l e n s d u c t w i t h s i n g l e r e fl e c t i v e m o d e l 姗伽姗咖姗400胡。 h吕一甘。之芍月。昌芍匕1 图5 中标明d = 0 一 3 m m的曲线分 别表示距离透镜透镜导管输出面的 距离为o m m，i m m, 2 m m，3 m r n 处截面上的光密度分布， 横坐标中 士 i 表示透镜导管输出 端面的边缘 ( 图7 及图8 中的数字意义与此相 同)。从图5 可以看出当距离端面 大于1 m m 后，光密度的分布接近类 高斯分布，这有利于泵浦光和输出 激光的模式匹配 d =qmm d =1 mm d =2 mm d =3 mm - 3屯- 1 0 2 3 y 担2 f i g . 2 . 5 d i s t r i b u t i o n o f r a d i a t i o n d e n s i t y ( 2 ) .会聚型 从图3 可以看出，l d 发出的光 在透镜导管内经一定的反射次数后 n e a r t h e o u tp u t f a c e o f l e n s d u c t w i t h s i n g l e r e fl e c t i v e mo d e l 第二 章 全固 化激光器中的锅合系 统一透镜导管的简 化设计 会到达一个 “ 会聚”区，这些区域的泵浦光功率密度比较高 如果把透镜导管 的愉出端面取在会聚区的起始位置，显然有利于激光介质的泵浦 我们依此设计了会聚型透镜导管，其光路如图6 所示。 10a aa 礴 心 挑劝 ( a ) fl a y tr a c e s i n s l o w - a x i s p l a n e ( d i v e r g e n c e o f l d i s t o 0 ) ( b ) r a y tr a c e s i n f a s t - a x i s p l a n e ( d i v e r g e n c e o f l d i s 3 * ) f i g . 2 .6 r a y t r a c e s i n le n s d u c t w i t h c o n v e r g e n t m o d e l 经统计计算，对应图6 ( a )、 ( b ) 两方向的光密度相对分布如图7 ( a )、 ( b所示 从图 7 可以看出， 慢轴平面内 的光在端面附近分布良 好， 快轴平面内 的光分 布不太理想。经分析，若要改善这种情况，必须增加透镜导管的长度，这不利 于设计制作小型、紧凑的激光器。图8 表示快轴平面内的光被预压缩为1 0 0 时输 出端面附近的光密度分布，可以看出比图7 ( b ) 所表示的分布情况要好得多 这说明不必刻意将快轴平面内的光发散角压缩得很小，选择合适的微柱透镜， 只压缩到跟慢轴平面内的最大发散角相近，这将有利于透镜导管输出 近似圆形 的光斑并使透镜导管输出光在两个方向的光强分布都较理想。 第二章 全固 化激光器中的辐合系 统- - 遗镜导管的a ,ft .没 计 y 1h ( a ) d i s t r i b u t i o n o f r a d i a t i o n d e n s i t y n e a r t h e o u t p u t f a c e o f l e n s d u c t w i t h c o n v e r g e n t m o d e l i n s l o w - a x i s p l a n e ( d i v e r g e n c e o f l d i s 1 0) 厂1111|l一 姗姗溯12d0侧柳即姗珊。 曰已内云公石目一.。.旧艺侧 如只写。艺一勺月吕。三一洛月 ( b ) d i s t r i b u t i o n o f r a d i a t i o n d e n s i t y n e a r t h e o u t p u t f a c e o f l e n s d u c t w i t h c o n v e r g e n t m o d e l i n f a s t - a x i s p l a n e ( d i v e r g e n c e o f l d i s 3 0 ) f i g .2 . 7 d i s tr i b u t i o n o f r a d i a t i o n d e n s i ty 县 2 . 4讨论 为了简化计算并能给出直观结果，本文仅计算了位于 l d 快轴和慢轴平面内 的光线，以此近似表达所有光线的分布用这种方法分析我们以前制造的透镜 导 管 及 文 献 日 给 出 的 透 镜 导 管 结 构 ， 可 以 清 楚 地 看出 它 们 的 优 缺 点 ， 与 实 验 结 果基本符合用这种方法设计的透镜导管其实验传输效率为8 4 0. 0 两端未镀杭 反膜) ，用于q _ c w激光二极管阵列泵浦的n d : y a g 激光器得到4 0 .4 %的光一光 转 换 效 率 !9 泵浦光经透镜导管转换之后，虽然压缩了 发光面积，改善了光场分布， 但 其发散角将增大 所以透镜导管藕合系 统更适合于那些对泵浦光吸收系 数教大 的薄片激光介质。 参考文献: 1 l .t u r i a n d t .j u h a s z , h ig h - p o w e r r e g e n e r a t i v e a r o p l i f t e r , o p t i c s l e tt e r s , 1 9 9 5 , l o n g i t u d i n a l l y e n d - d i o d e - p u m p e d n d : y l f 2 0 ( 2 ) : 1 5 4 - 1 5 6 2 b i n g k u n z h o u , t h o m as j k a n e , g e o r a g e j e f f i c i e n t , f r e q u e n c y - s t a b l e 6 2 - 6 4 l a s e r - d i o d e - p u m p e d n d : y a g d i x o n , a n d r o b e rt l . . b y e r . l a s e r , op t i c s l e tt e r s , 1 9 8 5 , 1 0 ( 2 ) 3 t h .g r a f a n d j . e . b a l m e r , h i 沙- p o w e r n d b a r , o p t ic s l e tt e r s , 1 9 9 3 , 1 8 ( 1 6 ) : 1 3 1 7 - 1 3 1 9 y l f l as e r e n d p u m p e d b y a d i o d e - l a s e r ( 4 t a k u n o r i t a i r a a n d t a k a o k o b a y s h i , l n t r a c a v i t y f r e q u e n c y d o u b l i n g a n d q - s w i t c h i n g i n d io d e - l a s e r - p u m p e d n d : y v 0 4 la s e r s , a p p l i e d o p t ic s , 1 9 9 5 , 3 4 ( 2 1 ) : 4 2 9 8 - 4 3 0 1 第二章 全固化激光器中的辐合系 统一透镜导管的简 化设计 f 5 1 1 2 0 0 1 下 力门 f - d - 0 m nd - 2 m n a -3 , nu |召|d， 6 1 7 1 r .r e a c h , j . d a v i n , s . mi t c h e l l , w. b e n e tt , b . f r e it a s , a n d r . s o l a r z , p a s s iv e l y q - s w i t c h e d t r a n s v e r s e - d i o d e - p u m p e d n d : y l f la s e r o s c i l l a t o r , o p t i c s l e tt e r s , 1 9 9 2 , 1 7 ( 2 ) 二 1 2 41 2 6 r a y m o n d j .b e a c h , t h e o r y a n d o p t i m i za t i o n o f t e n s d u c t s , a p p l i e d o p t i c s , 1 9 9 5 , :1 5 ( 1 2 ) : 2 0 0 0 - 2 0 1 5 r . b e a c h , p . r e i c h e r t , w. b e n e t t , b f r e i t a s . s . mit c h e l l , a . v e l s k o , j . d a v i n , a n d r . s o l a r z . s c a l a b l e d i o d e - e n d - p u m p i n g t e c h n o l o g y a p p l i e d t o a 1 0 0 - m j q - s w i t c h e d nd : y l f l a s e r o s c i l l a t o r ,op t i c s l e tt e r s , 1 9 9 3 , 1 8 ( 1 6 ) : 1 3 2 6 - 1 3 2 8 g i l l e s g e u g n e t , c l a u d e b u s s a c , c h r i s t i a n f i g . 8 d i s t r i b u t i o n t h