二极管叠阵侧面折返泵浦多边形薄片激光器

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2.侧面折返泵浦多边形薄片泵浦吸收均匀性模拟分析

2.1.激光器系统结构

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2.1.激光器系统结构

我们设计采用的LDA侧面折返泵浦多边形薄片激光器的结构如图1所示, 增益介质为正五边形Nd:YAG薄片晶体. 为方便观察, 下方主图部分仅给出一个方向的泵浦耦合结构, 图1(a)为五边旋转对称泵浦结构俯视图. 多边形Nd:YAG晶体的侧面为泵浦光入射面, 呈梯形, 与端面成45°. 泵浦光正入射晶体侧面, 如图1(b)所示. 晶体前端面为激光输出面, 镀激光波长的增透膜. 晶体后端面与散热结构相连, 镀激光波长高反膜.

图 1 侧面泵浦多边形薄片激光器结构示意图　(a)结构俯视图; (b)局部放大图
Figure1. Schematic diagram of side-pumped polygonal thin-disk laser structure: (a) Top view of the structure; (b) partial enlarged view

单个LDA包含6个巴条, 单个巴条上有23个发光点, 单条激光二极管快轴发散角大, 需要采用快轴准直器(fast axis collimator, FAC)将发散角压缩至近平行, 准直后的快轴发散角 ≤ 0.5°. 泵浦源发光面积较大约为10 mm × 10 mm, 需要通过缩束耦合结构将其压缩至与多边形薄片侧面(入射面)尺寸匹配. 通过计算追迹光线, 泵浦光经耦合结构到达泵浦面时的光斑尺寸约为12.6 mm × 1.6 mm, 传输效率约为97.5%, 实际测量得到的传输耦合效率为97%.
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2.2.增益介质内泵浦光吸收分布特性

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2.2.增益介质内泵浦光吸收分布特性

储能的平顶分布, 可以降低激光对薄片介质的损伤几率, 意味着激光输出的功率可以大幅提高. 同时, 薄片增益介质的泵浦光吸收分布直接影响到介质内部的热分布, 因此均匀的泵浦光吸收分布可以有效减小薄片增益介质温度梯度, 从而降低晶体热效应, 提高激光光束质量.
泵浦光通过缩束耦合结构由晶体侧面入射, 在介质内部符合全内反射条件, 以折返光路传输, 在传输过程中泵浦光被Nd:YAG介质吸收. 以折返方式传输的泵浦光在增益介质厚度方向交叠, 从而保证厚度方向上均匀的吸收. 多个方向入射的泵浦光在介质中心区域交叠, 这种泵浦方式能够有效地提高增益介质内泵浦光吸收分布的均匀性. 侧面切角的非对称泵浦五边形构型有助于降低薄片晶体内寄生振荡.
增益介质内泵浦光的吸收可由(1)式表示

$I = {I_0} \cdot {{\rm{e}}^{ - \alpha l}},$

其中, $\alpha $

为介质对特定波长的吸收系数, $l$

为泵浦光在介质内部传输的光程, ${I_0}$

为入射光强, $I$

为传输$l$

距离后光强.
单个LDA的平均输出功率为P₀, 泵浦总功率${P_{{\rm{total}}}} = 5{P_0}$

. 增益介质内各点吸收的泵浦光强度分布用矩阵$[{I_{xy}}]$

表示. 增益介质吸收泵浦总功率为${P_{{\rm{abs}}}}$

. $[{I_{xy}}]$

、${P_{{\rm{abs}}}}$

可表示为:

$\left[ {{I_{xy}}} \right] = \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{I_{11}}}& \cdots &{{I_{1n}}} \\ \vdots & \ddots & \vdots \\ {{I_{m1}}}& \cdots &{{I_{mn}}} \end{array}} \right], $

$ {P_{{\rm{abs}}}} = \sum {(I_{xy}\cdot {\Delta s})} $

5个方向入射的泵浦光在薄片内被吸收, 定义五边形结构前端面内切圆范围内吸收的泵浦光功率为有效泵浦功率, 表示为${P_{{\rm{a\text-eff}}}}$

. 其中五边形晶体前端面内切圆$\phi $

的半径为$R$

, 则有效泵浦功率可表示为:

$ {P_{{\rm{a\text-eff}}}} = {P_\phi } = \sum\limits_\phi {({I_{xy}}\cdot\Delta s)}, $

$\phi = \left\{ {(x,y)\Big|{{\Big(x - \frac{m}{2}\Big)}^2} - {{\Big(y - \frac{n}{2}\Big)}^2} \leqslant {R^2}} \right\}. $

有效泵浦效率${\eta _{{\rm{a \text- eff}}}}$

为有效泵浦功率占泵浦总功率的比值

${\eta _{{\rm{a \text{-} eff}}}} = {{{P_{{\rm{a \text- eff}}}}}}/ {{{P_{{\rm{total}}}}}}. $

泵浦均匀性定义为内切圆区域内各点被吸收泵浦光强的均方根RMS值^[10]

${\rm{RMS}} = \frac1{{\bar I}}{{\sqrt {\frac1{{n - 1}}}{{\displaystyle\sum\limits_{i = 1}^n {{{\left( {{I_i} - \bar I} \right)}^2}} }} }}. $

五边形Nd:YAG薄片增益介质的内切圆直径为16 mm, 厚度1.5 mm, 掺杂浓度0.3%(原子分数), 基于Zemax光学设计软件建模计算得出泵浦光在增益介质内分布, 如图2所示. 有效泵浦效率${\eta _{{\rm{a \text- eff}}}} = 65.1 \%$

, 均匀性RMS为3.12%, 这说明泵浦光强度是均匀分布的.

图 2 晶体内被吸收的泵浦光强的二维和三维分布
Figure2. 2-D and 3-D distributions of the absorbed pump laser in the crystal.

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2.3.增益介质荧光分布

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2.3.增益介质荧光分布

五边形Nd:YAG薄片增益介质的荧光分布如图3所示, 可见多边形增益介质内泵浦光分布均匀, 与仿真结果吻合.

图 3 增益介质内荧光分布
Figure3. Fluorescence distribution in disk.

从图3可以看出增益介质中心区域(内接圆R = 16 mm范围内)荧光分布呈近平顶分布, 这表明侧面折返泵浦多边形薄片晶体可以实现增益介质内储能的平顶分布. 储能的平顶分布, 降低了激光对薄片介质的损伤几率, 同时也意味着可以有效降低增益介质热效应, 激光输出功率可以大幅增高.