端面泵浦固体激光器的泵浦模式分析和结构

1、端面泵浦固体激光器的泵浦模式分析和结构主要内容激光二极管泵浦系统结构聚焦光器件的作用端面泵浦结构的热特性激光二极管泵浦系统 随着高功率激光二极管的出现，激光晶体生长技术和镀膜技术的发展，对泵浦方式的研究有着重要的意义 侧面泵浦激光器 :二极管阵列与激光棒或激光板同向安装，并在垂直于激光谐振模的传播方向上泵浦激活材料 。端面泵浦激光器 :泵浦辐射是准直的，且纵向聚焦到与谐振腔模共线的激光材料中，这种结构利用了激光二极管空间和光谱特性 。侧面泵浦的泵浦结构和实验装置泵浦结构实验装置端面泵浦的泵浦结构和实验装置泵浦结构实验装置端面泵浦结构的优点 在端面泵浦结构中，一支激光二极管或二极管阵列发出的辐射

2、在激光棒的端面聚焦成一个小光斑，选择合适的聚焦光器件，就能够调节二极管的泵浦辐射，使之与谐振腔TEM00模的光束直径匹配。因此，端面泵浦结构能够最大地利用激光二极管输出的能量。端面泵浦激光振荡器（Sipes）D.L.Sipe:Appl.Phys.Lett.47,74-76(1985)聚焦光器件的作用 如果设计正确，使泵浦光的分布与谐振腔模式体积匹配，聚焦的端面泵浦结构就是效率最高的泵浦辐射转换方案。激光二极管阵列的泵浦光束与光学谐振腔是共线的，所以被泵浦体积与TEM00模之间存在很大的交叠。这些优点的实现取决于将这些大像差激光二极管或二极管阵列组的输出光束重新变成圆形对称光束 端面泵浦装置按聚

3、光手段可以分为7种方式：成象聚光；柱面透镜聚光：椭圆模腔；微型棱镜线阵聚光；自聚焦光纤微透镜聚光；多光束叠加；光纤束聚光等，这几种聚光方式那是为了把发光面积较大光束发散度大而且x,y不对称的激光二极管的发射光束变换成光束截面半径小于固体激光器的基模高斯光束束腰半径发散角很小(至少小于3度)的泵浦光束进入增益介质，以求与腔模空间最大限度的交叠 直接端面泵浦(成像光学系统聚光)R.H.Verdun,T.Chuang:Opt.Lett.17,1000(1992)非球面透镜组聚束的Nd：YAG或钕玻璃激光器LD端面泵浦Er：Yb：玻璃激光器由棱镜形成的椭圆模腔自聚焦微透镜（SELFOC Micro L

4、ens）又称为渐变折射率透镜（GRIN Lens），俗称自聚焦光纤，是一种柱透镜，其折射率从中心开始按径向距离的平方递减准直自聚焦微透镜耦合自聚焦微透镜会聚自聚焦微透镜直接端面泵浦的特点直接端面泵浦激光器优点：结构型式紧凑,转换效率高,基模光强分布较好。这种结构的激光器出光功率依赖于激光二极管的功率，因此目前直接端面泵浦一般用于低功率小型激光器。随着激光二极管功率的提高以及激光晶体生长技术的成熟，这个结构可以做成微片激光器。光纤耦合端面泵浦由激光二极管、两个聚焦系统、耦合光纤、工作物质和输出反射镜组成光纤中出射的光束发散角较小、圆对称、中间部分光强最大。优点：泵浦效率高，对光学器件要求低，可更

5、换泵浦源，易散热。这种耦合方式主要用于输出模式好、高功率的固体激光器 W.L.Nighan: Laser Focus World,p.97(May 1995)端面泵浦结构的热特性：端面泵浦的激光器由于局部的吸热非常强，所以这类系统的温度和应力分布非常不均匀，而且很复杂。对于大多数固体激光介质而言，应力对折射率的影响很小。因此，大多数理论模型只考虑了温度对折射率的影响 。端面泵浦微片激光器 从泵浦区边缘到圆柱棒的冷却表面，温度按对数规律降低；在棒轴方向，按指数规律吸收泵浦辐射，所以温度分布也按指数规律下降 为了获得最大的增益，并与TEM00谐振腔模匹配，泵浦光束应该是聚焦的，从而使大的辐射泵浦功

6、率入射到激光棒的端面。这样，辐射入射表面的热量很大，导致强烈透镜效应的热应力通常也很大，足以使激光棒的端面出现裂纹。 端面泵浦激光棒的温度分布J.Frauchiger, P.Albers, H.P.Weber: IEEE J.QE-28,1046(1992)对于大功率激光器，利用复合棒能够明显改善端面泵浦激光器的热控制。Nd:YAG、Nd:YVO4和YB:YAG等激光晶体，和一端或两端没有掺杂的基础材料组成复合棒。这些棒端盖与掺杂的激光晶体是扩散结合的。其他优点：增大激光器输出的平均功率 ；保护二向色膜。利用复合棒的相关结果模拟的端面泵浦Nd：YAG棒中的温度分布.(a)掺杂均匀的棒；(b)具

7、有5mm长未掺杂端帽的棒（箭头示出了最高温度值及其位置；两条等温线温差4K）模拟的端面泵浦Nd：YAG棒中的温度梯度引起的应力分布（MPa）.(a)掺杂均匀的棒；(b)具有5mm长未掺杂端帽的棒R.Weber, B.Neuenschwander, M.MacDonald, M.B.Roos, H.P.Weber:IEEE J.QE-34,1046(1998)不同的冷却结构和棒形状导致产生不同的边缘条件。主要区别是：棒的表面冷却是传导式(金属导热控温)还是对流式（水冷），棒的形状是正面冷却的薄叠片还是边缘冷却的长圆柱体.具体计算参考：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)温度及应力的计算热透镜效应入射到晶体的高斯泵浦光束为：有效焦距为：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)光学成像系统关于象的亮度的二个基本原理：1，象的亮度不可能