端面泵浦固體激光器的泵浦模式分析和結構

1、端面泵浦固體激光器的泵浦模式分析和結構主要內容激光二極管泵浦系統(tǒng)結構聚焦光器件的作用端面泵浦結構的熱特性激光二極管泵浦系統(tǒng) 隨著高功率激光二極管的出現(xiàn)，激光晶體生長技術和鍍膜技術的發(fā)展，對泵浦方式的研究有著重要的意義 側面泵浦激光器 :二極管陣列與激光棒或激光板同向安裝，并在垂直于激光諧振模的傳播方向上泵浦激活材料 。端面泵浦激光器 :泵浦輻射是準直的，且縱向聚焦到與諧振腔模共線的激光材料中，這種結構利用了激光二極管空間和光譜特性 。側面泵浦的泵浦結構和實驗裝置泵浦結構實驗裝置端面泵浦的泵浦結構和實驗裝置泵浦結構實驗裝置端面泵浦結構的優(yōu)點 在端面泵浦結構中，一支激光二極管或二極管陣列發(fā)出的輻射

2、在激光棒的端面聚焦成一個小光斑，選擇合適的聚焦光器件，就能夠調節(jié)二極管的泵浦輻射，使之與諧振腔TEM00模的光束直徑匹配。因此，端面泵浦結構能夠最大地利用激光二極管輸出的能量。端面泵浦激光振蕩器（Sipes）D.L.Sipe:Appl.Phys.Lett.47,74-76(1985)聚焦光器件的作用 如果設計正確，使泵浦光的分布與諧振腔模式體積匹配，聚焦的端面泵浦結構就是效率最高的泵浦輻射轉換方案。激光二極管陣列的泵浦光束與光學諧振腔是共線的，所以被泵浦體積與TEM00模之間存在很大的交疊。這些優(yōu)點的實現(xiàn)取決于將這些大像差激光二極管或二極管陣列組的輸出光束重新變成圓形對稱光束 端面泵浦裝置按聚

3、光手段可以分為7種方式：成象聚光；柱面透鏡聚光：橢圓模腔；微型棱鏡線陣聚光；自聚焦光纖微透鏡聚光；多光束疊加；光纖束聚光等，這幾種聚光方式那是為了把發(fā)光面積較大光束發(fā)散度大而且x,y不對稱的激光二極管的發(fā)射光束變換成光束截面半徑小于固體激光器的基模高斯光束束腰半徑發(fā)散角很小(至少小于3度)的泵浦光束進入增益介質，以求與腔模空間最大限度的交疊 直接端面泵浦(成像光學系統(tǒng)聚光)R.H.Verdun,T.Chuang:Opt.Lett.17,1000(1992)非球面透鏡組聚束的Nd：YAG或釹玻璃激光器LD端面泵浦Er：Yb：玻璃激光器由棱鏡形成的橢圓模腔自聚焦微透鏡（SELFOC Micro L

4、ens）又稱為漸變折射率透鏡（GRIN Lens），俗稱自聚焦光纖，是一種柱透鏡，其折射率從中心開始按徑向距離的平方遞減準直自聚焦微透鏡耦合自聚焦微透鏡會聚自聚焦微透鏡直接端面泵浦的特點直接端面泵浦激光器優(yōu)點：結構型式緊湊,轉換效率高,基模光強分布較好。這種結構的激光器出光功率依賴于激光二極管的功率，因此目前直接端面泵浦一般用于低功率小型激光器。隨著激光二極管功率的提高以及激光晶體生長技術的成熟，這個結構可以做成微片激光器。光纖耦合端面泵浦由激光二極管、兩個聚焦系統(tǒng)、耦合光纖、工作物質和輸出反射鏡組成光纖中出射的光束發(fā)散角較小、圓對稱、中間部分光強最大。優(yōu)點：泵浦效率高，對光學器件要求低，可更

5、換泵浦源，易散熱。這種耦合方式主要用于輸出模式好、高功率的固體激光器 W.L.Nighan: Laser Focus World,p.97(May 1995)端面泵浦結構的熱特性：端面泵浦的激光器由于局部的吸熱非常強，所以這類系統(tǒng)的溫度和應力分布非常不均勻，而且很復雜。對于大多數(shù)固體激光介質而言，應力對折射率的影響很小。因此，大多數(shù)理論模型只考慮了溫度對折射率的影響 。端面泵浦微片激光器 從泵浦區(qū)邊緣到圓柱棒的冷卻表面，溫度按對數(shù)規(guī)律降低；在棒軸方向，按指數(shù)規(guī)律吸收泵浦輻射，所以溫度分布也按指數(shù)規(guī)律下降 為了獲得最大的增益，并與TEM00諧振腔模匹配，泵浦光束應該是聚焦的，從而使大的輻射泵浦功

6、率入射到激光棒的端面。這樣，輻射入射表面的熱量很大，導致強烈透鏡效應的熱應力通常也很大，足以使激光棒的端面出現(xiàn)裂紋。 端面泵浦激光棒的溫度分布J.Frauchiger, P.Albers, H.P.Weber: IEEE J.QE-28,1046(1992)對于大功率激光器，利用復合棒能夠明顯改善端面泵浦激光器的熱控制。Nd:YAG、Nd:YVO4和YB:YAG等激光晶體，和一端或兩端沒有摻雜的基礎材料組成復合棒。這些棒端蓋與摻雜的激光晶體是擴散結合的。其他優(yōu)點：增大激光器輸出的平均功率 ；保護二向色膜。利用復合棒的相關結果模擬的端面泵浦Nd：YAG棒中的溫度分布.(a)摻雜均勻的棒；(b)具

7、有5mm長未摻雜端帽的棒（箭頭示出了最高溫度值及其位置；兩條等溫線溫差4K）模擬的端面泵浦Nd：YAG棒中的溫度梯度引起的應力分布（MPa）.(a)摻雜均勻的棒；(b)具有5mm長未摻雜端帽的棒R.Weber, B.Neuenschwander, M.MacDonald, M.B.Roos, H.P.Weber:IEEE J.QE-34,1046(1998)不同的冷卻結構和棒形狀導致產生不同的邊緣條件。主要區(qū)別是：棒的表面冷卻是傳導式(金屬導熱控溫)還是對流式（水冷），棒的形狀是正面冷卻的薄疊片還是邊緣冷卻的長圓柱體.具體計算參考：M.E.Innocenzi,H.T. Yura,C.L.Fin

8、cher,R.A.Fields:Appl.Phys.Lett.56,1831(1990)S.C.Tidwell,J.F.Seamans,M.S.Bowers,A.K.Cousins:IEEE J.QE-28,997(1992)C.Pfistner,R.Weber,H.P.Weber,S.Merazzi,R.Gruber:IEEE J.QE-30,1605(1994)溫度及應力的計算熱透鏡效應入射到晶體的高斯泵浦光束為：有效焦距為：非呈像聚光腔：主要用于高功率激光器E.C.Holnea,C.A.Ebbers,R.J.Beach,J.A.Speth,J.A.Skidmore,M.A.Emanuel,S.A.Payne:Opt.Lett.23,1203(1998)A.Brigon,G.Feugnet,J.P.Huignard,J.P.Pocholle:IEEE J.QE-34,577(1998)光學成像系統(tǒng)關于象的亮度的二個基本原理：1，象的亮度不可能