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全固态激光器中泵浦速率分布的数值模拟

  2010年3月齐齐哈尔大学学报 Joumal QiqiharUniversity V01.26,No.2 March,201 0全固态激光器中泵浦速率分布的数值模拟 (1.齐齐哈尔大学理学院,黑龙江齐齐哈尔161006;2.中国科学院物理研究所.北京100190)摘要:以LD端面泵浦的固体激光器为例,讨论了泵浦光源在激光晶体中的分布模型,计‘算了泵浦速率分布函数的 归一化,并对分布函数进行了数值模拟。 关键词:固体激光器;泵浦光;数值模拟 中图分类号:0433.5+4 文献标识码:A 文章编号:1007—984X(2010)02—0092-03 激光二极管泵浦的固态激光器Laser Diode Pump Solid State Laser)简称LDPSSL,是用激光二极fLaser Diode,简称LD)代替闪光灯作为泵浦光源,抽运固体激光晶体实现激光运转的一种激光器。它具有激发方 案简单,光束质量好,转换效率高,工作寿命长,结构紧凑,稳定可靠等一系列传统灯泵浦固体激光器无 法比拟的特点,成为了新一代固体激光器发展的主流。目前,LDPssL技术发展迅速,特别是随着大功率LD 及LD阵列技术的逐步成熟,使得固体激光器的性能得到了全面的提高,新的量子阱材料为基础的各种波长 的LD的出现,又促进人们去寻找新的固体增益材料,以扩展吸收波长和受激发射波长,为LDPSSL技术的 广泛应用提供了可能性”J。本文以LD端面泵浦的固体激光器为例,讨论了泵浦光源在激光晶体中的分布模 型,计算了泵浦速率分布函数的归一化,并对分布函数进行了数值模拟。 1激光二极管的泵浦分布模型 在LD端面泵浦的固体激光器中,假设LD泵浦光沿激光晶体方 向呈轴对称圆柱型分布且单次通过晶体,泵浦光强在垂直于轴向 的横截面上呈高斯分布,则沿轴向建立柱坐标系,泵浦光分布模 型如图l所示。图1中z.为激光晶体泵浦端面的z方向坐标,三为晶 体长度,,.为晶体内横截面半径。 定义总泵浦速率 hvphvp 图1.泵浦光分布模型 为单位时间内泵浦光抽运的总增益离子数目。其中:,7。为量子效率;匕,为晶体吸收的泵浦功率;匕为人 射泵浦功率;口为晶体在泵浦波长处的吸收系数;hv。为泵浦光子能量。 ’泵浦数率分布函数厶(,.,z)定义为忙1 表示单位时19激光晶体内(,.,z)点处单位体积内抽运的增益离子数目占尺的百分比。其中:Wp为泵浦光半径;A为归一化常数。 2归一化常数的计算 收稿日期:2009—12-01 作者简介:李奇楠(1975一).男,黑龙江齐齐哈尔人.副教授,博士。主要从事全固态激光技术与激光特性方面的研究,liqinan@163.(:Ore。 万方数据 ’(,-,z)函数对于晶体内的泵浦区域是归一化的,即2,2 彳p口。卜1。qI)出pewP2出= 对于LD泵浦的固体激光器来说,w。,口,£等参数都依据实际情况的不同取不同的具体数值,但泵浦速率分布函数L(,.,z)的空间分布形态由式(6)确定为径向按高斯分布和轴向按e指数衰减,这个规律与具 体参数的选取无关。 图2给出了激光晶体内泵浦速率分布函数空间形态的数值模拟。从图2中可以看出LD泵浦在晶体端面中 心点(z=五,,=0)处抽运速率最高,从该点沿径向和轴向分别进行衰减。图3给出了泵浦速率分布的等 高曲线图,其中的矩形区域表示LD泵浦在激光晶体内的有效泵浦区域,它的边界分别为r/W。=l表示泵浦 光径向有效区域和a(z一毛)=l表示激光晶体的有效吸收长度。对于LD端面泵浦固体激光器来说,考虑到振 荡光和泵浦光的良好耦合,一般振荡光的有效半径也在w。=1附近(比w。=l略大),而激光晶体的工作 长度则选取在有效吸收长度a(z—Z.)=1附近。当晶体的长度大于有效吸收长度时,对于四能级运转的激光 器影响并不大,因为其激光下能级为空,不存在重吸收问题,但是对于准三能级运转的激光器来说,由于 激光跃迁的下能级在常温下就有一定数目的热粒子数布局,由此会引起的对振荡光的重吸收现象,对于在 有效吸收长度之外的晶体,由于没有泵浦的有效抽运,无法形成一定的增益系数,而重吸收又增加了腔内 损耗系数,所以将严重制约激光器的输出性能,故对于准三能级激光器的晶体长度一般需要较为详细的分 析和计算。 LD泵浦速率分布等高线给出了晶体内轴向(r=o)和泵浦区域边缘(r=w,)上的速率分布曲线,该曲线按e指数的形式沿z轴 衰减;图5则给出了晶体内2个特殊的横截面:端面z-和有效吸收长度截F面a(z~z1)=1处的径向速率分布曲 万方数据 94齐齐哈尔大学学报 2010印 线,该曲线沿径向按高斯平方形式分布。 享‰图4激光晶体轴心(r=0)处和泵浦区域边缘(,=%)处泵浦速率分布Jllf线泵浦端面(:,)处和有效吸收长度(口(:由)=1)处的泵浦速率分布曲线 参考文献 …戴特力.半导体二极管泵浦固体激光器fMl.重庆:四川大学出版社,1993. YFan,RLByer.Modeling CWOperation aQuasi-Three—Level946 nm Nd:YAG Laser[J].IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS,1 987,23:605. Numerical simulation pumprate distribution all-solid-statelaser LI Qin—an’,SUN Meng—taou,ZHANG Ta01 (1.CoUege ofSciem!e,Qiqihar University。Heilongjiang Qiqihar 161006,China; 2.Institute ofPhysics,Chinese Academy ofSciences,Beijing 100190,China) Abstract:The pump distribution model LDend-pumping all-solid-state laser discussed.Theunitary constant pumprate distribution function simulated.Key words:all-solid-state laser;pump light;numerical simulation 万方数据