侧面泵浦圆盘光纤激光器的设计

1、第40卷第1期2009年1月太原理工大学学报J OU RNAL OF TAIYUAN UN IV ERSIT Y OF TECHNOLO GYVol. 40No. 1J an. 2009文章编号:100729432(2009 0120085203侧面泵浦圆盘光纤激光器的设计李孟春1, 张强2(11太原理工大学理学院, 山西太原030024; 21中国科学院电工研究所, 北京100080摘要:利用光线追迹法模拟了圆盘光纤激光器内部光线的传输情况, 并分析了影响圆盘激光器泵浦效率的各种结构参数。在泵浦光功率较低时倾向于无填充物质的方案, 此时既能保证高的吸收系数, 又不会因散热而破坏光纤材质。在强

2、泵浦情况下, 为避免泵浦光回波损伤激光二极管或激光二极管阵列, 大一些。关键词:圆盘光纤激光器; 理论模拟; 侧面泵浦; 中图分类号:TN242文献标识码:A目前, (LD 或激光二极管阵列(LDA 122, 困难, 效率低下日本的激光器的概念, 和光纤盘组成。图1是盘状光纤激光器的结构示意图, 一个无外包层和保护层的光纤盘成一个圆盘, 放置在两个圆形的平板之间。泵浦光从平板边缘缝隙 图1盘状光纤激光器结构图入射到平板波导结构中, 两平行平板的内表面镀有对泵浦光的高反射膜, 泵浦光受波导结构的限制在其中经过多次反射后穿过光纤被纤芯吸收。这种结构无需附加耦合透镜系统, 具有结构紧凑、耦合效率高的

3、优点。对盘状光纤激光器的报道多来自与Ken 2ichi Ueda 相关的课题组, 最高的圆盘光纤激光器输出功率记录也是由Ueda 报道的325, 他利用三个圆盘结构最终实现了1kW 的功率输出。所有的报道都说明圆盘状结构的耦合方式是切实可行的。1模拟与分析本文利用光线追迹法模拟了圆盘光纤激光器内, 在此基础上分析了影响圆盘光。图2是圆盘光纤激光器的截面结构图。对于光纤侧面垂直入射的的泵浦光来说, 理想的光纤截面为圆形。从图2中可获得整个系统的基本结构参数:光纤纤芯直径r 1, 包层直径r , 纤芯和包层对泵浦光的折射率n 0和n 1, 填充在圆盘内部光纤缝隙中的物质折射率n 2,光纤盘绕的圈数

4、k , 泵浦光入射点与距离其最近的光纤截面圆心的距离l. 在模拟过程中, 令n 1=1. 450, n 0=1. 452。图2盘状光纤激光器截面图1. 1单一入射光线不同入射角度时泵浦光的分布和吸收首先, 模拟了单一光线的传输情况。对于不同入射角度的泵浦光, 图3给出了其光线分布的具体图形。从图3中可以看出, 在k =6, l =500m , n 2=1而其它条件不变的情况下, 随着入射角度的增大,泵浦光分布趋于散乱。接下来分别考察了光纤盘绕的圈数k 以及泵浦光入射点与距离其最近的光纤截面圆心的距离l 不同时(k =6, l =500m 和k =12, l =700m , 泵浦光的吸收系数与入

5、射角度的关系, 如图4所示。3收稿日期:2007209205 图3 横截面内不同入射角度光线分布示意图图4光纤对应不同入射角度泵浦光的吸收效率曲线图从图4中可以看出, k =6, l =500m 和k =12,l =700m 时, 光纤对泵浦光的吸收系数都是随着泵浦光入射角度的增大而减小的。将k 和l 分别取一系列不同的值进行模拟, 也得到相同的结果。1. 2多条入射光线不同l 值以及不同填充介质时泵浦光的分布和吸收首先, 使圆盘内部光纤缝隙中的填充介质(n 2=1 和光线入射角度(=1. 39 相同, 采用16条光线来模拟泵浦光的空间分布。对于不同l 值, 图5给出了泵浦光在横截面内的分布情

6、况。从图5中可以看出, 在平板间填充介质和入射角度不变的情况下, 并非是l 值越小越好, 而是存在一个最佳的l 值, 当l =830m 左右时泵浦光的吸收效果最好 。图5不同l 值时泵浦光吸收效率曲线图(k =12, n 2=1然后, 令泵浦光入射点与距离其最近的光纤截面圆心的距离l (l =830m (=1. 39 不变, 16为泵浦光吸收效 图6泵浦光吸收效率随n 2值变化曲线图(k =12, l =830m 从图6中可以看出, 在其他参数不变的情况下, 随着填充介质折射率的不同, 泵浦光的分布仍有较大的差异。随着n 2提高, 大部分泵浦光远离纤芯, 泵浦光吸收系数逐渐降低。这一现象可以利

7、用工程光学的理论来解释:对于截面图中传输的泵浦光, 光纤相当于凸透镜, 随着填充材料折射率提高, 凸透镜对光纤的会聚能力下降, 最终导致吸收系数的降低。2结论在综合考虑所有影响吸收效率参数的基础上, 对圆盘光纤激光器的整体结构参数的选择有了较为直观的了解。在泵浦光功率较低时倾向于无填充物质的方案, 此时既能保证高的吸收系数, 又不会因散热而破坏光纤材质。在强泵浦情况下, 为避免泵浦光回波损伤LD 或LDA , l 在允许的范围内取值尽可能大一些, 同时, 在光纤间的缝隙填充导热性高的材质有助于提高激光器的整体散热性能。当然, 为保证泵浦源和激光器的正常运转, n 2和l 的取值将不可避免地降低

8、泵浦光的吸收效率。68太原理工大学学报第40卷 参考文献:1胡姝玲, 董法杰, 吕福云, 等. 包层泵浦全光纤调Q 激光器J.光子学报,2001,310(Z2 :61264.2王屹山, 郑瑶雷, 沈华等. 包层泵浦的铒镱共掺光纤激光高效产生的实验研究J.光子学报,2003,32(9 :102521027. 3Nam Seong K im , Mahendra Prabhu , Cheng Li ,et al. Absorption characteristics of high 2power disc fiber laser by side pum 2ping of laser diodeC.

9、CL EO/Pacific Rim 99,1999:8072808.4Ueda K , Sekiguchi H , Kan H. 1kW cw output from fiber 2embedded disk lasersC.CL EO 02,2002:CPDC4212CPDC422. 5Ueda K. Scaling physics of disk 2type fiber lasers for kW output J.IEEE , 1999,2(8211 :7882789.Conceptual Design of LD Side Pumped High Pow er Disk Fiber L

10、aserL I Meng 2chun 1ZHANG Q iang 2(11College of S ciences of TU T , Tai y uan 030024, China;21I nstitute of Elect rical Engineering , Chinese A cadem y , B ei j Abstract :The met hod of ray t racing met hod is t he of t he rays in disk fiber laser , and t he configuration p efficiency are analyzed. The result s show t hat no filling in at low p ump power for t hat high ab 2sorption efficiency t he fiber by heat. At high p ump power , t he distance of p source and t he center of circle of t he nearest f