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一般而言,在激光器的光学、机械结构不变的情况下,激光输出功率与抽运光抽运效率、工作物质的平均抽运速率及抽运速率分布存在较大的关系。其中,抽运效率决定了工作物质对抽运光吸收效率,平均抽运速率则决定了工作物质中反转粒子数,而抽运速率分布决定了晶体内部热效应。这3个参量都将极大地影响激光器的输出功率[12]。
根据激光器工作温度范围要求,假设工作物质在10℃~30℃内光学性质稳定,且激光器的光学、机械结构随温度的变化几乎可以忽略,仅有LD的发射中心谱发生改变,那么若要获得稳定的激光输出,需要该型激光器在该温度范围内任意温度下满足如下3个条件:(1)抽运效率相同;(2)平均抽运速率相同;(3)抽运速率分布相同。
Nd:YAG晶体的抽运吸收峰为808nm。典型LD面阵中心波长的温度变换率约为0.33nm/℃,那么在全温度范围内,LD面阵中心波长漂移范围在7nm左右。由于在全温度范围内,LD发射中心谱会随着环境温度的改变而变化,若采用单一波长LD对晶体进行抽运,则在不同环境温度下,激光器输出功率和脉冲宽度会有较大的差别,无法开展工程化应用。因此,需要采用多个波长的LD靶条进行配对,使得在不同环境温度下的抽运效率近似相等。
在调Q运转的激光器中,三能级或四能级系统反转粒子数密度n和腔内光子数ϕ随时间演化的过程可表述为[2]:
$ \left\{ \begin{align} &\frac{\text{d}n}{\text{d}t}=-c\phi n{{\sigma }_{21}}-\frac{n}{{{\tau }_{2}}}+{{\omega }_{\text{p}}}\left( {{n}_{0}}-n \right) \\ &\frac{\text{d}\phi }{\text{d}t}=\frac{2{{\sigma }_{21}}\phi nl}{{{t}_{\text{r}}}}-\frac{\phi }{{{t}_{\text{c}}}} \\ \end{align} \right. $
(1) 式中,σ21=18.8×10-20cm2为激光发射频率处的受激发射截面;τ2=230μs为荧光寿命;ωp为抽运速率;l为增益介质长度;tr为光在谐振腔内传输的往返时间;c为光速;tc=tr/[L+ln(1/R)]为腔内光子寿命,L为腔内损耗,R为输出镜反射率;n0=1.38×1020/cm3为总粒子数密度。
由(1)式可以看出,在激光器谐振腔结构及增益介质特性均不改变的情况下,输出功率、脉冲宽度只与抽运速率ωp有关。因此,只要波长配比在全温度范围内均能满足平均抽运速率一致,那么输出功率就相同。
抽运速率可以表示为:
$ {{\omega }_{\text{p}}}=\frac{{{\sigma }_{13}}P}{Ah{{\nu }_{\text{p}}}} $
(2) 式中,σ13为受激吸收截面;A为增益介质的有效截面积,h为普朗克常数, νp是抽运光子的频率。在侧面抽运情况下,由于在晶体长度方向上,抽运功率P是递减的,为方便讨论,假设入射光为平行光,并将抽运功率在长度方向求平均,从而得到平均抽运速率的表达式为:
$ \begin{align} & {{\omega }_{\text{p, a}}}=\frac{{{\sigma }_{13}}{{P}_{0}}}{lAh{{\nu }_{\text{p}}}}\int_{0}^{l}{\text{exp}}\left( -\alpha z \right)\text{d}z= \\ & \ \ \ \frac{{{\sigma }_{13}}{{P}_{0}}}{\alpha lAh{{\nu }_{\text{p}}}}\left[ 1-\exp \left( -\alpha l \right) \right] \\ \end{align} $
(3) 式中, α为晶体吸收系数,P0为初始抽运功率。
将平均抽运速率的波动程度定义为:
$ {{P}_{\text{FLU}}}=\frac{\max \left| {{\omega }_{\text{p}}}-{{\omega }_{\text{p, a}}} \right|}{{{\omega }_{\text{p, a}}}} $
(4) 那么,对于整个波长范围(790nm~815nm),不同吸收长度晶体对抽运光的吸收程度E分别为60%, 70%, 80%和90%时,其对抽运光的吸收效率曲线[9]如图 1所示。
本文中晶体采用直径4mm晶体侧面交错抽运方式,抽运对面热沉镀金,可近似认为吸收长度为8mm。
使用MATLAB软件编程,将所需参量代入程序,模拟计算后可得到,当3个波长(803nm, 808nm, 810nm)的功率比为P803:P808:P810=2:3:3时, 经计算,激光器全温度范围吸收最大差异为3.2%,吸收曲线如图 2所示。
经分析,最终确定激光二极管抽运源共48根,分别由中心波长位于20℃的3组波长组成:803nm有12根, 808nm有18根, 810nm有18根。
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激光器采取环形侧面抽运的方案可以使工作物质内的增益分布趋于高斯状,有利于低阶模的起振,从而得到小束散角的光束输出。
图 3是模拟实际抽运情况下的激光工作物质截面的增益分布。图 3中,纵坐标为激光晶体横截面增益分布,横坐标为激光晶体横截面尺寸比例。
晶体中单个LD阵列输出抽运光的空间分布表示为:
$ I\left( x, y \right)=\sqrt{\frac{2}{\text{ }\pi\text{ }}}\frac{{{P}_{0}}}{w\left( x \right)}\exp \left[ \frac{-2{{y}^{2}}}{{{w}^{2}}\left( x \right)} \right] $
(5) 式中,w(x)表示抽运光光束半径。
考虑到Nd:YAG对抽运光的吸收,晶体内抽运光空间分布如下:
$ I\left( x, y \right)=\sqrt{\frac{2}{\text{ }\pi\text{ }}}\frac{{{P}_{0}}}{w\left( x \right)}\exp \left[ \frac{-2{{y}^{2}}}{{{w}^{2}}\left( x \right)}-\alpha d\left( x, y \right) \right] $
(6) 通过下面的分析可知,晶体的吸收系数α与晶体的掺杂原子数分数有关。d(x, y)为抽运光在晶体中的传播距离,即:
$ d\left( x, y \right)=\sqrt{{{r}_{0}}^{2}-{{y}^{2}}}+x $
(7) 式中,r0为晶体的半径。
令入射到晶体侧边界的抽运光半径为w0,考虑抽运光发散角的影响,晶体内不同位置抽运光光束半径为:
$ w\left( x \right)={{w}_{0}}+\theta \left( x+{{r}_{0}} \right) $
(8) 式中,θ为抽运光的发散角。
在激光晶体散热条件恒定情况下,晶体热畸变的主要原因在于晶体掺杂原子数分数和抽运光分布均匀性,它与激光二极管发光面和晶体间距、晶体半径、掺杂原子数分数都有很大关系。
激光二极管侧面抽运激光器,激光二极管快轴方向半峰全宽(full width at half maximum,FWHM)的发散角大约为40°。对直径为4mm的激光晶体,进行吸收模拟分析,结果如图 4所示, 图中纵坐标与横坐标均为晶体尺寸。
通过分析可知,采用环形侧面抽运能获得更均匀的抽运增益,同时在采用环形侧面抽运条件下,选择适当的抽运距离,可以增加整个晶体的抽运吸收均匀性; 距离过远,无法获得足够的抽运功率密度。针对以上分析,采用上下圆周均匀抽运的方式,抽运面到晶体表面距离采用2.5mm。
激光二极管侧面抽运免温控激光器的研究
Study on free-temperature-controlled lasers side-pumped by laser diodes
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摘要: 为了解决激光二极管抽运波长随温度漂移导致激光器输出能量下降的问题,采用激光二极管抽运源波长匹配及凹凸稳定谐振腔技术实现免温控,并进行了理论分析和实验验证。该激光器腔长210mm,电光转换效率5.7%;输出单脉冲能量大于60mJ,在10℃~30℃范围内,能量稳定度优于5%;激光器输出光斑直径4mm、脉冲宽度8ns、激光器10Hz工作时,激光远场束散角为1.1mrad。结果表明,实验与理论分析计算结果符合,该激光二极管侧面抽运免温控激光器可在一定温度范围内保持稳定的能量输出。该理论分析与方案对研究免温控激光器具有重要意义。Abstract: In order to solve the problem that the laser output energy decreases when laser diode pump wavelength drifts with temperature, the technology of laser diode pump source wavelength matching and concave-convex stable resonator are used to realize temperature-free control. After theoretical analysis and experimental verification, the results show that, when the length of laser cavity is 210mm, electro-optic conversion efficiency is 5.7%. Output single pulse energy is more than 60mJ, and the energy stability is better than 5% in the range of 10℃~30℃. Laser output spot diameter is 4mm, pulse width is 8s, and laser far-field beam divergence angle is 1.1mrad at 10Hz. The experimental results are in agreement with the theoretical analysis. The laser diode side-pumped temperature-free laser can maintain a stable energy output in a certain temperature range. The theoretical analysis and the scheme are of great significance for the study on temperature-free-controlled lasers.
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Key words:
- lasers /
- pulse laser /
- electro-optic Q-switched /
- free temperature control /
- diode pumped laser /
- energy stability
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