端面抽运固体激光器的输入输出特性分析.doc

第 30 卷第 2 期2004 年 4 月曲 阜 师 范 大 学 学 报JournalofQufuNormalUniversityVol . 30No . 2Apr . 2004端面抽运固体激光器的输入输出特性分析尚连聚( 作者 :男 ,28 岁 ,硕士 ,讲师 ;曲阜师范大学物理工程学院 ,273165 ,山东省曲阜市)摘要 :分析了端面抽运固体激光器的输入输出特性 ;给出了输出功率随输入功率变化的函数关系曲线 ;给出了输出功率随泵浦光腰斑位置变化的函数关系曲线 ; 文中的分析可为端面抽运固体激光器的设计提供 参考.关键词 :输入输出特性 ; 端面抽运 ; 固体激光器中图分类号 : TN242文献标识码 :A文章编号 :1001- 5337 (2004) 02- 0057- 03固体激光器具有高效率 、紧凑 、稳定 、长寿命和光束质量高等优点 ,在军事 、工业 、医学和科研等领 域已经得到了广泛应用1 . 为了提高固体激光器的 光 光转换效率 、输出功率和工作稳定性 ,我们必须 认真考虑有关输入输出特性的基本问题. 本文深入 分析了端面抽运固体激光器的输入输出特性 ,集中 体现在以下 2 个方面 : 激光器输入功率与输出功率 的关系 ;泵浦光腰斑位置对输出功率的影响. 文中 进行具体的理论与数值计算时均以激光二极管端面率 ; 为增益介质的吸收效率 ;为受激发射截面 ;f 为激活介质的荧光寿命 ;为腔的往返损耗 ; n 为激活介质对信号光的折射率 ; L 为腔长 ; J 是表示1泵浦模与振荡模相互重叠的积分 5 .(1) 式中的 和 J 1 的表达式分别为 = 1 -exp ( - p l) ,2exp ( - )(2)lp zp ( z)pJ 1= L 1 - exp ( - )2 d z .2+ 0 sp l0其中 , l 为增益介质长度 ;p 为增益介质对泵浦光的2抽运的 1342 nm Nd : YVO4 激光器为例说明问题 ,泵浦激光波长 p = 808 nm ,泵浦光束为圆对称高斯 光束 ,泵 浦 光 束 腰 尺 寸 0 p = 300 m , 腔 长 L = 65吸收系数 ; ( z ) 为泵浦光在增益介质内 z 处的光p斑半径 ,通常 ( z) 满足 ( z ) =0 p +| z - z0 p | ,pp式中 0 p 、z0 p 、 分别为泵浦光的束腰尺寸 、焦点位3mm ;Nd : YVO4 晶体的具体参数 : 长度 l = 5 mm ; 受置 、发散角 ;0 s 为振荡 光 束 腰 尺 寸 ; 通 常 情 况 下 , z激发射截面 = 6 . 0 10 - 19 cm2 ; 吸收系数 = 14 . 6p处振荡光的光斑半径 ( z) 近似等于 的大小.s0 scm - 1 ;荧光寿命 = 90 s. 本文对输入输出特性的f1. 2近阈值情况下的输出功率分析可为同类固体激光器的设计提供参考.针对 TEM 模 ,近阈值情况下的输出功率为00 hs2 J 1 T= t ( Pin- Pth ) , (3)Pout理论模型1hpJ 2其中 hs 为振荡光子能量 ; Pin 为输入功率 ; T 为输出耦合率 ; J 2 也是表示泵浦模与振荡模相互重叠的 积分 5 .Nd : YVO4 晶体的辐射机理是典型的 四 能 级 过程 ,从激光器的理想四能级系统速率方程理论出发 ,我们能推导出下面的重要结论41. 1激光器的泵浦阈值针对 TEM00 模 ,激光器的泵浦阈值为.(3) 式中 J 的表达式为24pexp ( - pz)lexp - ) 22 (d z . (4)J 2 =2222()0 sL 1 -p l z +00 sp hp 1 n2 1 J 1= ( )定义重叠效率因子 c =,它决定了泵浦光与振荡Pth,1t f2 LJ 1J 2其中 hp 为泵浦光子能量 ;t 为光学系统的耦合效光的空间重叠程度. 收稿日期 :2003 - 02 - 18定 义 平 均 泵 浦 光 斑 半 径p= 1l 122e0 ( z) d z,若用 代替 ( z ) , 则 J 和 Jppp2 1的表达式分别简化为 4 2 J 2= 2 2 2 ( 2 2, J 1 =.2 22 p + 0 s )L (p + 0 s )0 sL1. 3远离阈值情况下的输出功率针对 TEM00 模 ,远离阈值情况下的输出功率为 hs T= t Pin .(5)Pouthp从 (5) 式可以看出 ,在输入功率 Pin 一定和保持T 不变的情况下 , 提高光学系统的耦合效率 t , 提 高增益介质的吸收效率 或降低腔内往返损耗 ,均可提高远离阈值情况下激光器的输出功率Pout .图 2远离阈值情况下输出功率 Pout 随输入功2 输入输出特性分析率 Pin 变化的关系曲线2. 3泵浦光腰斑位置对输出功率的影响2. 1近阈值情况下的输入输出特性根据 (3) 式 ,通过数值积分可得输出功率随输入 功率变化的关系曲线 ,如图 1 所示. 计算时取 0 s =阈值公式 (1) 和输出功率公式 ( 3) 表明 ,泵浦光焦点在激光介质中的位置 (焦点至前端面的距离) 直接影响泵浦阈值的大小 ,从而影响激光器的输出功143m ( 根据平凹 腔 束 腰 尺 寸 的 计 算 公 式6 ,70 s 的值) .可 得率与斜率效率 . 因此泵浦光焦点位置存在一最佳值z0 p , s ,使得激光器的输出特性最佳 . 针对 TEM00 模 ,根据 (1) 、(2) 、( 3) 和 ( 4) 式 ,通过数值积分即可算出泵浦光焦点位置 z0 p 对输出功率的影响 , 如图 3 所示 .变 .计算时取输入功率Pin = 500 mW , 其他条件不图 1近阈值情况下输出功率 Pout 随输入功率Pin 变化的关系曲线2. 2远离阈值情况下的输入输出特性根据 (5) 式 ,可得远离阈值情况下输出功率随输 入功率变化的关系曲线 ,如图 2 所示. 计算时仍然 取振荡光束腰尺寸 0 s = 143m ,其他条件不变 .图 3输出功率 Pout 与泵浦光腰斑位置 z0 p的关系曲线第 2 期尚连聚 :端面抽运固体激光器的输入输出特性分析59从图 3 可以看出 ,对于端面泵浦方式 ,在其它条件一定时 ,存在一个使输出功率最高的 z0 p . 在我们 给定的具体参数下 ,通过数值计算可知 ,图 3 所示的泵浦光焦点最佳位置 z0 p , s 的值为 0 . 7 mm ,此时泵浦阈值 Pth 约为 414 mW ,最大输出功率约为 174 mW.过 ,在未达到饱和输出的情况下 ,可以通过增大输入功率而提高输出功率.(6)大功率激光的输出应该以近阈值情况下激光器的最佳输入输出特性 ( 最佳腔模匹配) 为基础 ,还应合理改变腔参数以增大腔内激光模体积 ,更 重要的是还应解决好大功率情况下的热效应问题 .(7)我们可以在本文分析的基础上继续深入结论3探讨各空间分布变量 (腔模的空间匹配) 对激光器输入输出特性的影响 ,也就是关于腔模匹配的基本问 题 .(1)图 1 和图 2 给出了 2 种情况下激光器输出功率随输入功率变化的关系曲线 . 图 1 和图 2 表明 ,激光器的输出功率与输入功率基本上成线性关 系 . 但激光器的实际输出功率与输入功率并不严格 成线性关系 ,理论和实际情况有些偏差 .笔者认为 ,本文对输入输出特性的分析可(8)为同类激光器的设计提供参考.参考文献 :(2)输出功率的理论表达式 (3) 和 (5) 是 2 种极端情况下的理论结果. 理论模型的详细内容表明 ,难以得出中间状态下的输出功率解析表达式 ,故局部的 分析应用于整体就导致了理论与实际情况的偏差.张恒 利 , 何 京 良 , 等 . 激 光 二 极 管 抽 运 Nd : YVO4 晶 体11342 nm 和 671 nm 激 光 器 研 究 J .(9) :15791584.物 理 学 报 , 1998 , 47大量的实验结果表明 ,在泵浦功率远大于(3)2郑义 ,宋连科 ,等 . 激光二极管端面抽运的 1342 nm Nd :阈值并且腔内光子数密度远小于饱和状态的中间情况下 ,激光器的输出功率与输入功率基本上成线性 关系.YVO 激光器 J . 光学学报 ,2000 ,20 (8) :11411143.4尚连聚 ,郑义. 激光二极管端面抽运的 1. 34m Nd : YVO4三镜折叠腔型激光器 J . 物理学报 ,2002 ,51 (9) : 20152017.何京良 . 大功率全固态 Nd : YVO4 激光器 D . 1998.冯衍 ,宋峰 ,等 . LD 抽运 Nd : YVO4 晶体中的上转换及其 影响 J . 物理学报 ,2001 ,50 (2) :335337.王长青 ,沈德元 ,等 . 激光二极管泵浦高效 Nd : YVO4KTP3图 3 表明 ,在近阈值情况下 ,泵浦光焦点(4)在激光介质中的位置要合适 ; 当泵浦光腰斑处于最佳位置 z0 p , s 时 ,激光器的输出功率最大 ,激光器的泵 浦阈值较小. 因此 ,设计端面抽运的固体激光器时 ,应充分考虑 z0 p 对输出功率和泵浦阈值的影响.456腔内倍 频 激 光 器 J .1396.光 学 学 报 , 1996 , 16 ( 10) : 1393 图 2 和公式 (5) 表明 ,在远离阈值情况下 ,(5)输出功率随输入功率的增加而线性增大 ,但不能无限地增大 ,最终输出功率会达到饱和 ,若继续增大输 入功率将由于热效应加剧 ,输出功率反而下降. 不周炳琨 ,高以智 ,陈家骅 . 激光原理 M . 北京 :国防工业出版社 ,1995. 29 , 65.7INPUT- O UTPUT C HARACTERISTICSANALYSES OF END- PUMPED SOL ID- STATE L ASERSS HAN G Lian-ju( College of Physical Engineering , Qufu Normal University , 273165 , Qufu , Shandong , PRC)Abstract : Input-output characteristics of end-pumped solid- state lasers are analyzed in theory. The function curve ofoutput power depending on input power is achieved. The function curve of out