二极管泵浦固体激光器中泵浦效果的分析与评价

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论文针对激光二极管泵浦固体激光器的泵浦效果进行了分析和讨论,提出了相应的评价参数。泵浦光进入晶体,其部分能量在晶体中被吸收并转化为热耗,引起晶体的热效应。晶体的热效应是影响DPL性能的重要因素。针对侧面泵浦方式,研究了晶体内泵浦光纵向、径向和切向不均匀分布对热透镜效应的影响。依次讨论了由泵浦源bar条上不同的LD纵向空间占空比导致的、晶体内不同径向半径的圆环、相同圆环中的不同切向位置的热透镜效应,其后结合速率方程,理论分析了泵浦光的不均匀分布对振荡光光束质量的影响;针对端面泵浦方式,首先研究了泵浦源光纤耦合LD输出光束空间特性,分析了LD光束指向角对光纤输出面光场分布的影响,其后从理论和实验的角度讨论了不同的光纤输出光场分布对振荡光特性的影响。论文主要内容分为四部分:第一部分,研究LD侧面泵浦固体激光器中晶体内泵浦光纵向非均匀分布对热透镜效应及谐振腔稳定性的影响;热耗径向非二次型分布产生热透镜径向非均匀分布。1.提出并采用分段连续分布分析方法,研究LD纵向非均匀分布对热透镜及谐振腔稳定性的影响。从泵浦光纵向非均匀的实际情况出发,提出分段连续分布热透镜的分析方法,将激光晶体依次分段、分层,若薄层足够薄,认为其上各点的热耗密度恒定,可将薄层等效为独立的薄透镜,由此求解出薄层、晶体段及完整晶体的热焦距。在此理论基础上研究了泵浦源纵向空间占空比对热焦距及谐振腔稳定性的影响。结果表明:在泵浦功率相等的条件下,侧面泵浦源LD发光区的纵向空间占空比越高,晶体纵向热耗越均匀,热效应越弱,等效热焦距越长;LD纵向空间占空比越高,谐振腔的稳定腔长范围越大,说明即使谐振腔长确定,采用不同空间占空比泵浦源的谐振腔可能为非稳腔、介稳腔或稳定腔,侧面泵浦源的纵向空间占空比也是激光器设计中亟待考虑的一种因素。2.提出并采用环形区域分析方法,研究热耗径向非二次型分布导致的热透镜径向非均匀分布。将与光轴垂直的晶体薄层按不同的径向半径划分成若干极窄圆环,认为圆环内各点热耗空间分布均匀,根据径向半径相邻圆环间温度梯度,计算薄层环及晶体确定径向半径处的热透镜等效焦距。结果表明:实际泵浦条件常使晶体中热耗径向偏离二次型分布,导致不同径向半径位置等效热焦距不同,晶体中心和边沿处存在热透镜焦距差。第二部分,为了定量分析侧面泵浦光的非圆对称性对激光器性能的影响,引入描述热效应偏离圆对称性的物理量——非圆度,以及描述非圆对称热效应对振荡光影响程度的参量——加权面非圆度。描述热效应偏离圆对称的参量有线非圆度和面非圆度,线非圆度反映了晶体中一个具体圆柱面上的热效应不对称程度,面非圆度为晶体中全部线非圆度的平均值。加权面非圆度则是以谐振腔中振荡光的光强为加权因子,计算得到的非圆度。研究表明,晶体中热透镜切向均匀性随径向半径的增大逐渐变差;泵浦功率提高、径向泵浦源个数减少、泵浦源径向角度装配误差、泵浦距离偏差均导致热效应非圆对称程度的加剧。计算结果显示加权面非圆度的大小可用来判断一个具体谐振腔中热效应对振荡光圆对称性的影响程度。第三部分,提出泵浦光与振荡光交叠值C,及C值法,研究侧面泵浦固体激光器中泵浦光分布对振荡光光束特性的影响。定义C为泵浦光在基模振荡光区域内被吸收的功率与被吸收总功率之比。采用C值法,以侧面泵浦固体激光器为例描述了晶体中的泵浦光空间分布,研究其对振荡光光束特性的影响规律,发现C值与振荡光M2存在确定的对应关系,在相等条件下C值越大光束质量越好;而在不同的腔型结构下此变化趋势一致。与传统的迭代法相比,C值法计算简单,耗时短,同时避免了需要事先假定振荡光模式的问题。第四部分,研究端面泵浦固体激光器泵浦源——LD阵列光纤耦合模块的输出光光束空间特性,及其对振荡光特性的影响。研究发现端面泵浦源模块的光纤输出光光强分布不平滑,呈多尖峰分布,尖峰位置对LD光束指向角敏感,随指向角、空间位置和光纤长度等因素的变化而变化,是多种因素综合作用的结果。具有尖峰结构的泵浦光场对振荡光模式结构和输出效率有直接影响,泵浦光尖峰位置越居中,中心光强越凸,振荡光光束质量越好,越凹陷,振荡光光束质量越差,在激光器设计中应有针对性地具体考虑应对措施。
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