（通信与信息系统专业论文）lda端面泵浦板条放大器泵浦光场分布的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 激光二极管阵歹t j ( l d a ) 泵浦的板条放大器因具有光束质量好、寿命长、高功率等 优点，在激光测距、空间通信、激光雷达、激光医学等领域得到了广泛的应用。研究 板条放大器的光泵浦系统的泵浦光场分布，对于板条放大器的输出光束有很重要的意 义，这不仅可以改善板条放大器的输出光束的质量，同时也可以提高板条放大器的输 出光功率的大小。因此有必要对板条放大器的泵浦光场分布进行研究。 论文首先介绍了板条放大器泵浦光场分布的国内外研究现状和研究意义；其次介 绍了板条放大器的光泵浦系统的组成，并从此出发，分析设计了不同板条放大器的光 泵浦系统结构模型，即柱透镜聚焦l d a 端面泵浦板条放大器、柱透镜加玻璃板聚焦的 l d a 复合泵浦端面板条放大器两种结构下的光泵浦系统模型：再次简要的介绍了逆光 线追迹方法的原理；然后运用逆光线追迹的方法对柱透镜聚焦l d a 端面泵浦板条放大 器的光泵浦结构的结构参数做了分析，并使用软件进行模拟仿真，调节参数值，通过 比较得到较好的结构参数值。最后对不同光泵浦结构的泵浦光场进行了数值上的模拟， 并分析比较了不同光泵浦结构在不同系统参数下泵浦效率和泵浦均匀性，得到泵浦性 能较好的光泵浦系统结构模型。 模拟计算结果表明，不同光泵浦系统结构的板条放大器的不同的参数对其泵浦效 率和泵浦均匀性有着很重要的影响，即在复合泵浦下的光泵浦系统时l d a 端面泵浦的 板条放大器的泵浦性能相对较好。且由分析知，柱透镜的焦距厂越大、激光二极管阵列 排列越居中、玻璃板折射率越大情况下，板条放大器泵浦效率和泵浦均匀性比较理想。 关键词：l d a ；复合泵浦；端面泵浦；逆光线追迹法；泵浦效率和均匀性 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 f 页 a b s t r a c t t h es l a ba m p l i f i e rp u m p e db yl a s e rd i o d ea r r a y ( l d a ) h a st h ea d v a n t a g e so fg o o d b e a mq u a l i t y , l o n gl i f e ，h i g hp o w e r , a n dh a sb e e naw i d er a n g eo fa p p l i c a t i o n si nl a s e r r a n g i n g ，s p a c ec o m m u n i c a t i o n s ，l a s e rr a d a r , l a s e rm e d i c i n ea n do t h e rf i e l d s t h es t u d yo f p u m p e do p t i c a lf i e l dd i s t r i b u t i o no fo p t i c a l l yp u m p e ds y s t e mo fs l a ba m p l i f i e ri sv e r y i m p o r t a n tt ot h es l a ba m p l i f i e ro u t p u tb e a m ，w h i c hc a l ln o to n l yi m p r o v et h eq u a l i t yo ft h e o u t p u tb e a mo fs l a ba m p l i f i e r , b u ta l s oc a ni m p r o v et h es i z eo ft h eo u t p u to p t i c a lp o w e ro fi t t h e r e f o r ei ti sn e c e s s a r yt os t u d yo nt h ep u m p e d o p t i c a lf i e l dd i s t r i b u t i o no fs l a ba m p l i f i e r f i r s to fa l l ，t h ep a p e ri n t r o d u c e st h er e s e a r c hs t a t u sa n ds i g n i f i c a n c eo ft h ep u m p e d o p t i c a ld i s t r i b u t i o no ft h el a s e ra m p l i f i e r s e c o n d l y , i tc o v e r so p t i c a l l yp u m p e ds y s t e m c o m p o n e n t so ft h e s l a ba m p l i f i e r , a n da n a l y z e sa n dd e s i g n so p t i c a l l yp u m p e ds t r u c t u r e m o d e lo ft h et w os l a ba m p l i f i e r s ，s u c ha s ，t h el e n s f o c u sl d af a c e - p u m p e ds l a ba m p l i f i e r a n dt h eg l a s sp l u sl e n sf o c u s i n gl d a c o m p o s i t ep u m p s i d es l a ba m p l i f i e r a g a i n , i th a sa b r i e fi n t r o d u c t i o no nt h ep r i n c i p l eo fi n v e r s e - r a yt r a c i n g t h i r d l y , i tn u m e r i c a l l ys i m u l a t e s t h ep u m pf i e l dd i s t r i b u t i o no ft h eo p t i c a l l yp u m p e ds t r u c t u r e so ft h e l e n s f o c u sl d a f a c e - p u m p e ds l a ba m p l i f i e rb yi n v e r s e - r a yt r a c i n gm e t h o da n ds o f t w a r e ，a n da d j u s t st h e p a r a m e t e rv a l u e s ，w eg e tt h e e x c e l l e n ts t r u c t u r a lp a r a m e t e rv a l u e sb yc o m p a r i n gt h e c o n c l u s i o n f i n a l l y , i tq u a l i t a t i v e l ya n a l y z e sa n dc o m p a r e st h ep u m pe f f i c i e n c ya n dp u m p u n i f o r m i t yi nd i f f e r e n to p t i c a lp u m p i n gs t r u c t u r e su n d e rd i f f e r e n ts y s t e mp a r a m e t e r s ，a n d g e t st h eb e s to p t i c a lp u m p i n gs y s t e ma r c h i t e c t u r em o d e l t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h e d i f f e r e n tp a r a m e t e r so fs l a ba m p l i f i e ro ft h e d i f f e r e n to p t i c a lp u m p i n gs y s t e ms t r u c t u r eh a sav e r yi m p o r t a n te f f e c to np u m pe f f i c i e n c y a n dp u m pu n i f o r m i t y , f o re x a m p l e ，t h el d a c o m p o s i t ep u m p e da m p l i f i e rs t r u c t u r eb yt h e h a st h eb e t t e rp u m p e dp e r f o r m a n c ea n da c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i s ，t h ec a s eo fs l a ba m p l i f i e r i np u m pe f f i c i e n c ya n dp u m pu n i f o r m i t yi st h eb e t t e ri d e a lw h e nt h ef o c a ll e n g t ho ft h el e n s i sg r e a t e r , t h ec e n t e ro ft h ed i o d ea r r a ya r r a n g e m e n ti sm o r e ，a n dt h er e f r a c t i v ei n d e xo f t h e g l a s st a i l g a t ei sg r e a t e r k e yw o r d s ：l d a ；c o m p o s i t ep u m p i n g ；e n dp u m p i n g ；i n v e r s e - r a yt r a c i n gm e t h o d ；t h e p u m pe f f i c i e n c ya n du n i f o r m i t y 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 曼曼曼! 鼍皇曼曼曼曼皇曼曼曼! ! 曼! ! 皇曼量曼皇曼曼量鼍曼曼曼皇曼曼曼! 曼曼曼! 曼! 曼量皇曼曼曼皇曼皇曼i i i 二i 曼曼曼詈吕曼! 曼! ! 曼皇曼! ! 量曼暑曼鼍詈曼皇暑曼皇皇曼曼曼曼 1 1 板条放大器简介 第1 章绪论 板条放大器是激光放大介质为板条形状的固体激光放大器；对于以前的圆棒形固体 激光放大器，其温度梯度的方向与光的传播方向垂直，当在热负荷条件下运转时，它的 热柱透镜效应和热畸变效应都十分严重，这限制了激光放大器功率的提高，也在一定程 度上降低了激光放大器的输出光束质量；对于板条放大器，由于光是在板条厚度方向进 行全内反射，即呈锯齿状向前传播，又其温度梯度方向与板条的厚度方向大致一致，基 本上避免了热柱透镜效应和热畸变效应，对于输出光束质量和输出光功率都起到了积极 的作用【1 - 8 1 。 板条放大器的泵浦光源主要有惰性气体和半导体激光器，在惰性气体中常使用闪光 灯，半导体激光器即激光二极管；与传统的闪光灯泵浦的固体激光放大器相比，因具有 能量光束质量好、输出功率高、转换效率高、结构紧凑及使用寿命长等优点，二极管泵 浦的固体激光放大器被广泛应用于医学、信息、工业、科研和军事等领域【9 d 4 】。 在板条放大器中，激光二极管的泵浦方式主要有侧面泵浦和端面泵浦两种。其泵浦 原理图如图1 1 和图1 2 所示。 图1 - 1 侧面泵浦方式 图1 2 端面泵浦方式 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 在图1 1 中，其泵浦光是沿垂直于板条轴方向进行吸收的，可以输出较大的光功率， 但具有泵浦光不均匀分布，模式交叠小，光光效率低，输出光束质量差的缺点【l 引。在 图1 2 中，其容易实现泵浦光和激光模式的匹配，因而效率高，光束质量好，但输出的 光功率小【l 研。为了能输出高功率的光束，通常采用多个激光二极管一起泵浦，激光二极 管的数量越多，输出的光功率越大【2 0 2 1 】。 但当高功率端面泵浦板条介质时，高功率的泵浦能量会被集中在激光介质一个狭小 的区域内，从而使激光介质具有很严重的热效应现象，该现象产生的热形变和热应力双 折射等现象一方面影响了激光放大器的稳定性，另一方面限制了激光二极管的泵浦功率 2 2 - 2 6 o 为解决该问题，在板条放大器中，使光束沿“之字形光路在板条放大介质中行进， 与直通形光路相比，“之字形光路可有效地减小热效应和增益不均匀性问题，从而获 得较高光束质量的激光光束 2 7 3 2 1 。“之 字形光路板条放大器原理图如图1 3 所示。 图1 - 3 “之”字形光路板条放大器结构 在端面泵浦的板条放大器中，对于高功率的激光输出，人们已经获得了很大的进展 3 3 - 3 5 】，但同时高功率的激光输出必然要求高功率的泵浦光功率的输入，又高功率的泵浦 光在放大介质中产生的热效应严重，这对于激光放大器的稳定性和光束质量以及输出光 功率都有着不良的影响，如何对端面泵浦的板条放大器进行高功率的扩展，是设计固体 激光放大器的端面泵浦光系统的关键。“之”字形光路的板条介质能在一定程度上解决 热效应问题，因此高功率的板条放大器均采用该方式路径的板条介质。 随着激光技术的发展，目前，提高输出功率的技术主要有多个泵浦源光纤捆扎技术、 两路耦合技术、多个增益介质的多端面泵浦技术和中常用的高功率泵浦源技术。 综上，激光二极管阵列耦合端面泵浦“之字形光路板条放大器不仅可以输出高功 率高光束质量的激光光束，还具有稳定性好、结构紧凑、效率高和寿命长的优点，因此 在我们的应用中发挥着重要的作用。它不仅可以用作激光加工，如激光切割、打孔、激 光焊接和激光标记等，同时在激光微加工、激光精密加工也有一定的应用范围。对于大 功率二极管端面泵浦板条放大器还可以用于分析、通讯、投影显示、激光核聚变、医疗、 科学研究、检测以及军事国防等领域，因而具有很大的应用价值。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 2 泵浦光场分布技术研究国内外现状 由于板条放大器的泵浦方式有端面泵浦方式和侧面泵浦方式两种，在这两种方式 中，因为泵浦面的尺寸不同，因而在分析其泵浦光场分布时采用的方法技术也不同。在 最早的方法技术为采用有限元法用l a s c a d 软件计算的，并在板条介质的端面泵浦的 运用中已相当成熟，而在棒状介质的情况中，在不同的抽运结构下，采用侧面泵浦时， 采用有限元法用l a s c a d 软件计算时其光场分布的模拟结果十分不准确。为了能更为 精确的描述侧面泵浦下棒状介质的泵浦光强分布，在文献 3 6 】中，采用了光线追迹方法 计算了不均匀泵浦光功率分布，并使用v i s u a lc + + 和m a t l a b 混合编程，开发模拟计算程 序，很精确的得到了不同系数下激光棒内部各截面的泵浦光功率分布。 用光线追迹法作为激光器设计中模拟泵浦光强分布中最常用的一种方法，该方法通 过控制光线追迹的数量以及介质泵浦端面分割的细密程度来获取尽可能准确的模拟结 果，当追迹的光线数量越多，介质泵浦端面分割得越细，结果也就越准确。但这种方法 要求的计算量特别大，特别是当光路不确定的情况时，需要编写很大的程序量才能完成 对整个泵浦光强分布的模拟过程，在计算机运行的过程中也会花掉很多的时间。在文献 3 7 1 用高斯光束来替代激光二极管发出的光束，并分析了棒状介质在没有聚焦系统和不 考虑水冷却的情况下的激光棒中的泵浦光强分布，文献 1 5 在文献 3 7 】的基础上，考虑 了聚焦系统情况和在棒中各个折射面的影响，利用矩阵光学原理，建立半解析模型，运 用数值计算，对棒状介质内部的泵浦光强分布进行了分析，同时比较了半解析法和光线 追迹法的模拟结果，得到了半解析法在不要求较高准确度时有运算方便，程序简单，计 算量小的优点的结论。 文献 1 7 】中采用光学设计z e m a x 软件基于光线追迹法模拟仿真了泵浦系统各部分的 泵浦光强度分布，该方法可以根据模拟图像的亮度强弱看出泵浦光分布的情况，模拟结 果十分准确。这种方法在了解泵浦光场分布的均匀性性能上有很大的优势，在具体计算 泵浦效率时则需要进行进一步的工作来进行完善。所以，在不要求分析泵浦光系统的泵 浦效率时，该方法具有很大的优势，这也为用其他方法模拟泵浦光场的分布提供了对照 依据。 1 3 本论文研究目的和意义 板条介质的激光放大器的出现改进了棒状介质激光放大器中的热效应和低光束质 量以及应力双折射等的问题，之后的半导体激光材料的出现替代原来的闪光灯，使得板 条放大器在性能上得到了很大的改善，其结构紧凑、能量转换效率高、输出光束的质量 好，同时该半导体材料泵浦的板条放大器的寿命长，这种结构的板条放大器在工业、教 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 育和医学等领域都有着很重要的应用。 虽该结构的板条放大器的性能良好，但输出功率远远没有达到实际人们中对激光功 率的要求，如何既保证激光光束质量又提高激光的输出功率是研究人员研究的重点。 较侧面泵浦板条放大器，端面泵浦的激光放大器有更好的模式匹配，能获得更好的 激光光束，但端面泵浦时激光工作介质的尺寸是有限的，因此激光二极管的个数不能太 多，这对于提高激光放大器的输出功率必定会受到限制，但提高激光二极管的输出功率， 能量将会被集中在一个狭小的区域内，增加激光晶体中的热效应问题，达不到激光分布 的均匀性f 1 刀要求，反过来影响固体激光器跚中的板条放大器的输出效率和激光光束质 量。在“之 字形光路的方案提出以后，对于激光光束的质量大大提高，光分布的均匀 性也得到了改善。同时，激光二极管阵列作为板条放大器的泵浦光系统，在一定程度上 提高了泵浦光功率，从而使板条放大器的输出功率得到了提高。 近年来，人们在高功率的激光放大器方面也做了很多的研究，并取得了很大的成就， 高功率的激光放大器也不断地应用于激光打标、切割、抛光和焊接等工业领域以及激光 雷达、空间通信和光电对抗等空间领域，但随着激光放大器的广泛与普及，其输出功率 仍然不能满足人们对激光功率的需求，因此，对l d a 端面泵浦板条放大器的泵浦光场 分布的研究是十分必要的。 对板条放大器的研究技术中，本文提出了逆光线追迹方法，与现有有限元方法相比， 逆光线追迹起着对照作用。 1 4 本论文组织结构 要实现板条放大器高功率高光束质量的激光输出以满足人们对激光的要求，研究板 条放大器泵浦光系统的泵浦光场分布，对设计高功率高光束质量的板条放大器有重要的 意义。本论文的内容安排如下： 第1 章：绪论。对板条放大器概念，原理及发展趋势做了简单的阐述；接着介绍了 目前国内外固体激光放大器泵浦光场的研究方法和水平的现状；其次为本论文研究目的 和意义；最后对本论文的组织结构做了简单说明。 第2 章：基本理论。首先对l d a 板条放大器的光泵浦系统的结构和组成做了总体 的说明；再次，从板条放大器的光泵浦系统结构出发，对泵浦效率和泵浦均匀性两个关 键因素的概念做了介绍；最后，构建了不同光泵浦系统结构下l d a 端面泵浦板条放大 器的理论模型，并分析了其中的规律和原理，重点给出了逆光线追迹法在模拟计算l d a 端面泵浦板条放大器泵浦光场分析中思路和计算机模拟的具体步骤。 第3 章：柱透镜聚焦l d a 端面泵浦板条放大器泵浦光场分布研究。由非聚焦光泵 浦系统引出了聚焦光泵浦系统在改善光泵浦系统的性能上的优点。给出了柱透镜聚焦下 端面泵浦板条放大器的光泵浦系统的光线追迹理论模型，并得到这两种结构下泵浦光场 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 的仿真结果，由图定性分析比较各系统参数不同值时板条介质内部的泵浦光功率和均匀 性，给出在此结构下系统参数的比较好的解。 第4 章：l d a 复合泵浦端面泵浦板条放大器泵浦光场分布研究。先给出了由柱透 镜与玻璃板组成复合聚焦装置，在柱透镜聚焦板条放大器结构的比较好的解下，给出了 该结构下泵浦光场分布的仿真结果，结合玻璃板的系统参数，由仿真结果定性分析比较 了不同参数值情况下系统的泵浦效率和泵浦均匀性，并做了总结。根据实际的需要，再 给出了将板条介质端面切成4 5 。时复合泵浦端面板条放大器的光线追迹理论模型以及 仿真结果。 结论：总结了本论文的主要工作。 最后是致谢、参考文献和攻读硕士学位期间发表的论文。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 曼曼曼曼曼鼍皇曼鼍曼曼曼曼曼曼曼曼舅舅曼曼皇曼篡鼍曼曼葛曼舅曹曼曼曼皇曼舅曼曼曼曼曼曼量曼皇曼舅曼! 皇曼曼皇i 皇曼皇量蔓曼曼量曼曼皇蔓曼曼曼曼寰曼曼曼曼曼曼曼曼曼 第2 章基本理论 2 1l d a 泵浦板条放大器的光泵浦系统 2 1 1 板条放大器光泵浦系统的组成 激光放大器的光源光功率的大小决定了最后光放大器放大输出光的光功率大小， 光源输出的光功率越大，其经过激光振荡器振荡放大之后的光功率的值越大。光源的大 小由激光光泵浦系统决定。激光光泵浦系统主要由电源、泵浦光源和聚光腔组成【3 9 1 。其 中，聚光腔的作用是使发散的泵浦光能量以最大的值传输到固体激光的增益介质内部， 并满足一定的泵浦均匀性要求，本论文使用的聚光装置有柱透镜【删和玻璃板；泵浦光源， 即发射出需要使用的激光光束，其光束特性直接影响放大器输出的光束质量和对光功率 大小与光均匀性的要求，本论文使用的泵浦光源为激光二极管；电源为整个光泵浦系统 提供能量。 2 1 2 半导体激光二极管阵列 因半导体激光二极管发射的光束波长落在激活离子的主吸收线上，提高了激励效 率，其热效应明显降低。从而提高了激光光束的质量，改变了激光器的性能，延长了激 光器的寿命，提高了能量转换效率和激光输出效率。该器件结构紧凑，同时二极管泵浦 的全固态器件还有体积小，重量轻等优点。 激光二极管一板条放大器的泵浦光源分为准连续激光二极管和连续激光二极 管。准连续激光二极管输出方式是脉冲式的，与一般脉冲式二极管相比，其时间占空比 要大。连续激光二极管的输出方式是连续的，即高斯型脉冲【4 1 1 。采用准连续激光二极管 泵浦的板条放大器，因无法实现高的重复频率，所以人们一般采用连续激光二极管来泵 浦固体激光放大器。 在高平均功率的板条放大器中，由于单个激光二极管散热面积小，本论文采用阵列 式激光二极管( a r r a y d i o d el a s e r ) ，来增加激光二极管的泵浦功功率，即在单芯片上排列 多个激光二极管。激光二极管的发光截面如图2 1 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 illlliii i ilii l l l 侧一r ) 图2 - 1 激光二极管的发光截面图 为了增加激光二极管阵列输出光束的亮度，可将微透镜阵列光学器件与激光泵浦源 组合在一起【4 2 1 。同时改进激光二极管的材料也可以提高激光二极管的输出功率，增加泵 浦光功率。 2 1 3 聚光腔和二极管激光泵浦耦合技术 在半导体激光二极管泵浦情况下，聚光腔能够以最大值传送发散的泵浦光能量以到 板条放大器的放大介质内部，提高光光转换效率，还可以满足一定的泵浦均匀性要求。 因此合适的泵浦方式与耦合光学系统也可以提高板条放大器的泵浦效率。但小区域的强 泵浦使激光晶体中的热效应相对比较严重，激活区的利用率不高【4 3 1 。如何设计高功率二 极管端面泵浦的耦合光学系统，提高光光转换效率和泵浦光效率，是设计板条放大器的 聚光腔的关键。 激光二极管端面泵浦的板条放大器的耦合技术已有直接端面泵浦技术和光纤耦合 端面泵浦技术。因直接泵浦端面泵浦方式下模式匹配不好，激光输出光束质量差，因此， 一般采用柱透镜聚焦的端面泵浦方式。本论文采用了柱透镜和玻璃板的复合聚光腔结构 来改善激光的输出功率。 2 2 光泵浦系统性能 板条放大器光泵浦系统的性能主要考虑两个方面，即泵浦效率和泵浦均匀性，只有 在这两个方面都较好的情况下，板条放大器的光泵浦性能才有比较好的性能特性，因此， 了解光泵浦系统的性能是有必要的。 泵浦效率即为板条放大器光泵浦系统输出光功率与泵浦光源发出的光功率的比值， 比值越大，板条放大器输出的激光光功率越高，因此研究板条放大器的泵浦效率对输出 高平均功率的激光光束具有很重要的意义。 根据泵浦方式的不同，板条放大器的泵浦效率有着很大的差别，选择合适的泵浦方 式非常重要，考虑到激光光束质量和输出功率的因素，本论文选择柱透镜和玻璃板的复 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 合端面泵浦方式作为光泵浦系统的结构。 泵浦的均匀性即泵浦光束在放大介质中的泵浦光场分布在整个介质空间中是均匀 分布的情况。泵浦均匀性越好，放大器输出激光光束的均匀性就越好，这样放大器的性 能就越好。泵浦均匀性由板条介质内部的泵浦光场分布确定，要分析泵浦的均匀性必须 先确定泵浦光在介质中的泵浦光场分布，因此，模拟仿真出板条介质内部的泵浦光场分 布是分析泵浦均匀性的前提和依据。 在具体的模拟过程中，假设光线在介质中进行非线性叠加，从而简化了模拟仿真过 程。综上所述，要研究板条放大器泵浦效率和泵浦均匀性与研究l d a 端面泵浦板条放 大器的泵浦光场分布是密切相关的。 2 3 理论模型 半导体激光二极管阵列端面泵浦板条放大器模型如图2 2 所示。在图2 3 中，板条 放大器由光泵浦系统，板条放大介质等组成。 图2 - 2l d a 端面泵浦板条放大器模型 其光泵浦系统由激光二极管阵列( l a s e r d i o d e a r r a y ) ，聚光腔系统，泵浦电源三部分 组成，板条放大介质里面由一种或多种物质填充。其光泵浦系统为本论文的研究对象。 2 3 1 系统结构参数 参照文献 4 4 中的l d a 的参数要求，本论文使用的光泵浦系统结构中的l d a 的排 列方式为在y 轴上激光二极管之间间隔为5 0 0 u r n ，共排列6 个，在x 轴上激光二极管之 间间隔为5 0 0 u r n ，共排列2 1 个，因此激光二极管使用个数为1 2 6 个；对单个激光二极管 采用连续运行方式，输出高斯型激光光束，总功率为4 7 6 1 9 w ，每个b a r 条的输出功率 为1 0 0 w ，则整个l d a 的输出光功率为6 0 0 w ：本论文使用的激光二极管具有一定的准 直功能，即输出的高斯光束经过微柱透镜预准直后输出，使得高斯光束的远场和近场发 散角都减小，即在远场y 轴方向光束最大发散角为8 m r a d ，在近场z 轴方向上光束最大 发散角为0 2 0 9 4 r a d 【4 4 1 。激光二极管发射光束情况如图2 3 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 图2 - 3 半导体激光二极管发射光束示意图 因激光二极管发出的高斯光束在平行于它在平行于p n 结平面的方向发光面较长， 因此理论上近似均匀分布：在垂直于p 甩结方向，光束发散角较大，光场分布也近似成 角度高斯分布。但实际上，当激光二极管端面泵浦固体激光介质时，泵浦光在增益介质 中分布是不均匀的，在纵向和径向均有变化，泵浦光不可能完全被增益介质吸收而用于 粒子数的反转【4 5 】。因此，在实际的计算中，必须考虑泵浦光在轴向和径向两个方向上的 泵浦光场分布情况。角度分别为仉和0 ，的光线携带的功率如公式( 2 1 ) 所示： 胍0 加尸。印i 一( 箬+ 箬) | ( 2 - 1 ) l l ，群 口秒 j 式中，p o 为功率系数，0 卢w ( z ) z 是激光二极管线阵二极管激光器两个结平面上 的最大发散角的一半，0 ，和目y 是激光二极管线阵方向光线的发散角1 9 1 。这里p 。和如分 别取4 10 。3 r a d 和0 10 4 7 r a d 。 聚光腔系统的结构有很多，本论文主要使用具有一定聚焦的柱透镜与具有一定折射 率的平面玻璃板两种元件。对于不同的组合的聚光系统，激光二极管发射的高斯光束的 特性不同，光束展宽程度不同，最后泵浦光束的均匀性不同。以单个激光二极管为例分 析聚焦系统的聚光性质。如 蛩2 - 4 ，激光二极管反射出的高斯光束，经过柱透镜投射进 入到另一边，根据柱透镜成像规律如公式( 2 2 ) 所示： 1l1 一+i2一f(2-2)lo z 1 在式( 2 - 2 ) 中，t o ，l z ，f 分别为激光二极管阵列与柱透镜距离，柱透镜与增益介质端 面距离，柱透镜焦距。即通过柱透镜的焦g g f 和一个确定的物距t o ，就可以知道相距的 距离i t 。 ，；、 入射光步 兰竺竺窭焦点发射惠下矿 圹 激光二极管、，r 彳 2 。 1 、：1 1 0 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 n e e 型 9 o j 墨 l ) 且 0 0 8 、 0 0 6j 0 0 4 j 0 0 2j 00 5 0 0 4 、i 00 3 、- 0 0 2 、上 自黼 o y _ m m 一_ 。：= _ 。i ： j ：、0 、，c ， 一1 0 2 - 2 0 帅m b ) l = 19 0 m m 间距0 5 * 0 5 m m 2 “争r 00 5 、 00 4 、l 00 3 00 2 鬻 i 2 2 0 x _ m d ) l = 2 7 0 m m 间距0 5 * 0 5 m m 2 图3 3 不同激光二极管布局不同距离处板条端面的泵浦光场的分布 一。 罐、| 一， “e e 日n r o o、；0|oq o j j d o 熬 n e e n 掣o o、上霎04 o | 1 d 0 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 同时，由于直接端面泵浦板条放大器受端面尺寸的限制，激光二极管的使用个数受 到明显的限制。又在增大激光二极管的泵浦光功率的大小时，由于激光二极管阵列输出 的泵浦光的模式不好，泵浦光不能很好地耦合进入板条放大介质中去，这种结构的板条 放大器不能获得高的泵浦效率，在板条介质内部泵浦均匀性也差。所以不再对板条介质 内部的泵浦光场分布做模拟分析了。 3 2 在柱透镜聚焦下l d a 端面泵浦板条放大器泵浦光场分布 3 2 1 柱透镜聚焦下板条放大器光线追迹模型 透镜聚焦的特性在直接泵浦下板条放大器结构发挥了很大的作用，使l d a 发出的 高斯光束在微透镜的预准直后在板条端面的到聚焦。透镜的这种特性同样可以使用在泵 浦光源与板条介质前段之间，使l d a 发出的高斯光束在传输过程中再一次得到聚拢， 从而提高板条放大器的泵浦输出光功率。透镜聚焦下板条放大器的结构就是这一原理的 应用。 l d a 端面泵浦板条放大器在柱透镜聚焦下在非聚焦位置处的系统的结构参数为：板 条介质折射率为1 8 2 ，板条体积为2 5 4 0 1 2 0 m m 3 ；l d a 发出的高斯光束的发散角在出 射前由微柱透镜提前进行了预准直，使得光束在近场发散角为8 m r a d ，远场发散角为 0 2 0 9 4 r a d ，且排列为横向方向2 1 * l m m 和2 1 0 5 m m ，纵向方向6 * 0 5 m m ，均向板条中 心聚拢；板条前端面的网格数目为1 6 0 5 0 ，相邻网格间距为0 2 5 * 0 0 5 m m 2 ；柱透镜焦 距为f m r n ，l d a 与柱透镜的距离为om i l l ，与板条介质的距离为，m m ，且三者满足公 式( 2 2 ) ，当厂取不同值时，其他两者的值也相应发生变化；板条介质的吸收损耗系数g 为0 0 0 3 m m 。在聚焦位置处的系统的结构参数为：其它参数与非聚焦点相同，另外， 板条前端面的网格数目为2 1 2 5 ，相邻网格间距为2 * 0 1 m m 2 ；激光二极管之间的排列为 横向方向2 1 * l m m 和2 1 * 2 r a m ，纵向方向6 * 0 5 r a m 。 在柱透镜聚焦下，l d a 发出的高斯光束的各光线经预准直，经柱透镜完全聚焦后 透射进入板条介质中，经过直射、反射、旋转三种光路在板条另一端透射输出。此时柱 透镜聚焦下板条放大器光线追迹模型如图3 4 所示。 图3 - 4 柱透镜聚焦下板条放大器光线追迹模型 在图3 4 中，当柱透镜的焦距厂不同时，l d a 发出的高斯光束在板条前端面的聚焦 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 程度也不同，输出的泵浦光功率也不同，泵浦效率也不同。因此，柱透镜的焦距与泵 浦效率和泵浦均匀性密切相关。 3 2 2 板条介质前端面的泵浦光场分布模拟结果及分析 与前面给定参数一致，分别取端面面元为0 2 5 * 0 0 5 m m 2 和2 * 0 1 m m 2 ，此时，板条 介质前端泵浦光场分布如图3 5 所示。 n e 戈 吕 o ； 上 霎 & 2 苞 y m m 2 2 0 x m m a ) l = 1 9 0 m m 间距1 0 5 r a m 2 一! y - - m m 2 - 2 0 x m m b ) = - 1 9 0 m m 间距0 5 * 0 5 r a m 2 r k 0 2 0 ， 一 一 一 一、 ， ， _ 、 1【11_，i、iij1li义 4 3 2 1 o 2 0 0 0 0 neen苫o、j。mi。d u i l d o 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 y 椭m - 2 - 2 0 x _ m m c ) l = 2 7 0 m m 间距1 0 5 m m 2 y - - r a m - 2 - 2 0 x 哪m d ) l = 2 7 0 m m 间距2 * 0 5 m m 2 图3 - 5 不同激光二极管布局不同距离处板条端面泵浦光场分布 此时，在图3 - 5 ( a ) 、c o ) 、( c ) 、( d ) 中，板条放大器在板条端面的泵浦效率分别为7 6 3 3 ， 7 6 3 3 1 ，7 0 6 3 ，3 6 9 9 。从数值上可以看到：在相同位置处，当激光二极管间距越 大，距离越远，泵浦效率越小；定性分析均匀性上看，当距离越远，泵浦光分布越向中 心聚拢，在柱透镜的成像点上，泵浦光聚在了很小的一个范围内，泵浦均匀性变差；当 端面的点取在柱透镜的聚焦位置时，此时，在端面上的每个位置均有值，所以在模拟中 出现图3 - 5 ( c ) 连续分布的情况，当有端面的点没有在柱透镜的聚焦位置时，此时，光功 率在该位置处没有值，所以出现图3 - 5 ( d ) 的不连续分布的情况。因此，应该选择尽可能 使泵浦均匀性越好泵浦效率越高的系统参数。 比较图3 3 和图3 5 知，在相同位置处高斯光束得到了很大程度上聚焦，同时，在 图3 5 中的光功率值最大可提高为图3 3 中的约2 0 - - 3 0 左右。且当距离越大，提高的 倍数越大。所以，柱透镜聚焦下的泵浦方式在提高泵浦效率方面具有很大的优势。 在端面的面元划分上，当单位面元取得越小，图像的模拟结果越与实际情况逼近， 舫乃们：g 2 |苎!璺哺们哺 2 n e e n o ，t t 击o a o ；d o 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 对图3 - 5 ( c ) ，当端面面元取得更小和此时缩小激光二极管的间距时，其模拟分布如图3 6 所示。 y , - - r a m _ 2 - 2 0 x _ m m a ) 激光二极管间距为1 0 5 r a m 2 时 y - m m - 2 - 2 0 x 叫i m b ) 激光二极管间距为0 5 宰0 5 m m 2 时 图3 - 6 相同激光二极管个数，不同激光二极管间距时板条端面泵浦光场分布 在图3 - 6 ( a ) 为图3 - 5 ( c ) 基础上，取端面面元更小时，在柱透镜聚焦下，为2 7 0 m m 时 的泵浦光场分布。由第二章分析知，当柱透镜的焦距厂与物距如和相距z ，满足式( 2 2 ) 时， 光线将聚到一个固定点上。此时，泵浦光功率值与图3 - 5 ( c ) 中的值相同；但是从图形上 看，在聚焦轴上为一个个离散的点，再一次说明了此时光线均聚在了一个点上，为离散 分布；在非聚焦轴上，因无聚焦，所以呈发散分布。此时，具有离散点分布的图形更能 正确地描述实际的泵浦光场分布。比较图3 - 6 ( a ) 与图3 - 5 ( e ) 知，当面元面积取得越小时， 图像离散点越清晰，图像描述的结果越符合实际情况。图3 - 6 ( b ) 为在( a ) 的基础上将激光 二极管再向内移动后的光场分布图，此时光线均聚焦到板条端面的中心位置。因此，当 光线发散的角度很大时，可以考虑移动激光二极管的位置，来获得高的泵浦激光输出。 同时，理论分析知道，柱透镜焦距厂越大，在聚焦轴上因被全部聚焦，又透镜的超 透作用，光能无损失；但在非聚焦轴上，当经过的距离越远，光束到达端面时在端面接 1 b 6 4 2 0 2 o o o o h e e l警毒主)a口odo 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 收到的光能越少，此时泵浦效率越低。此时设定系端面面积元个数为4 1 * 2 5 。 在柱透镜的焦距厂分别为2 0 r a m ，6 0 m m ，1 2 0 r a m 下，l d a 发出的光束的光线经柱透镜 聚焦到达板条介质前端面时，泵浦光场分布如图3 7 所示。 a ) 户2 0 m m b ) f = 6 0 m m 黔 夕 1 0 y - - r a m 2 锄 x _ m m c ) 户1 2 0 r a m 一麟镦蹦瓣瓣r一 ， 8 b l 2 0 2 ， “ o ： “eeo童，声誉口a曾_do 8 6 4 2 乱 仉 n m nee2乇t事od 3 l _ d o 凹 o ： “eeo丰l譬垒3ndd 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 图3 7 不同柱透镜焦距下板条介质前端面的泵浦光场分布 在图3 7 中，在柱透镜聚焦下l d a 端面泵浦板条放大器结构中，在聚焦轴上光线得 到了很好的聚焦，即均聚焦到一个很小的一个点上，在非聚焦轴上，当传输的距离越远， 光线发散面积越大，在传输过程中到达端面的光线越少，高斯光束的光功率值越小。与 理论分析相吻合。同时，当光线传输的距离到达一定距离时，l d a 发出的高斯光束在 板条介质前端的泵浦光场分布的均匀性均随着柱透镜的焦距厂的增加而增加，当厂为 1 2 0 m m 时，泵浦光场分布的均匀性比较好，但此结构下到达板条端面的泵浦光功率比 较小，泵浦均匀性比较好。因此泵浦效率与泵浦均匀性与柱透镜的焦距厂有关。 此时，在柱透镜焦距厂为2 0 m m 时，激光二极管输出的光束在端面上8 2 5 1 得到接 收，当厂为6 0 m m 时，接收效率为7 0 6 3 ，但厂为1 2 0 r a m 时，接受效率为5 2 1 0 。 3 2 3 不同因素对板条放大器泵浦性能的影响 当l d a 发出经预准直的高斯光束经过柱透镜透射进入板条介质后，假定板条介质 是纯净介质，因此折射率为一恒定值，在介质中经直射、反射和旋转从板条另一端透射 从板条介质输出。在计算中，当反射和旋转的次数越多，到达板条另一端面具体单位面 元的泵浦光功率越大。l d a 的布局与数目也和泵浦均匀性有关。光的具体反射次数和 旋转次数由其输出光功率和输入光功率的比值决定，当他们的比值小于1 0 击时，此时的 光线忽略不计。从图3 5 的分析知，当激光二极管间距越小时，泵浦光的泵浦效率越高。 为了能更好的分析各不同系统因素对模拟结果的影响，设定板条放大器光泵浦系统 的参数如下：板条介质折射率万为1 8 2 ，距离d 为1 2 0 r a m ，板条端面面元个数为8 0 * 5 0 ， 激光二极管个数为2 1 木6 ，间距为0 5 * 0 5 m m 2 ，柱透镜焦距厂为6 0 r a m 。对于板条内部的 泵浦光场分布，就以下因素进行分析。 1 ) 柱透镜焦距对泵浦光功率和泵浦均匀性的影响 根据第2 章分析知道，l d a 发出的光束在经过柱透镜后在板条端面上的点是确定， 根据柱透镜的焦距厂的变化，单位角度的高斯光束入射到板条端面具体单位面上的光在 介质内部面元上的泵浦光场分布也发生相应的改变。 分析图3 7 中得到，柱透镜的焦距厂对板条前端面的泵浦光场分布有影响，其对介 质内部泵浦光场分布也有影响。当不同柱透镜焦距时，当只考虑直射时，板条介质内部 的泵浦光场分布如图3 8 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 3 页 0 0 3 5 、 00 3j 00 2 5 00 2 i 2 2 a ) 户2 0 r a m 荔露 加 b ) 户6 0 r a m y m m c ) 户1 2 0 r a m 图3 8 不同柱透镜焦距时板条介质内部的泵浦光场分布 在图3 7 知，当柱透镜的焦距越小，光的光功率值越大，光的均匀性越差。在图3 8 n e e 竹o o，m：墨；oq u | l 口o 、llo|li，、【l，_jlj、il 5 4 3 2 1 0 0 0 0 o o 0 o o 0 n e e 竹n o o、；粤u=io ，_l、ii ：兮 们 o 0 o 0 0 n e e n o o_zt墨軎。ildo 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 4 页 中，此时的光功率值因板条介质的作用而发生了变化，此时，当焦距越小，达到前端面 的光线角度越大，最后经板条介质反射输出后光功率损失大，但当焦距很大时，在板条 前端面的光功率小，也不是理想结果，所以，在图3 8 中，当厂为6 0 m m 时，板条放大 器的光泵浦系统有比较好的性能。因此，在实际应用中，应该根据实际的条件选择合适 焦距的柱透镜。 2 ) 光线在板条介质中的反射次数对泵浦光场分布的影响 理论上，计算光线反射的次数越多，输出光功率值仿真结果越符合实际情况，光线 在板条介质内部光场分布仿真结果图越与实际逼近。当反