《LD面阵侧面泵浦Nd:YAG晶体吸收光场的分布情况》
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摘 要：文章通过创新泵浦光路径求解计算方法,分析LD面阵侧面泵浦Nd：YAG晶体吸收光场的分布情况,判断其均匀性,该分析致力于为LD面阵侧面泵浦Nd：YAG激光器的研究提供坚实的理论基础.
关键词：LD面阵侧面泵浦;Nd：YAG晶体;光场
从现阶段固体激光器的研究与发展方向来看,激光二极管泵浦全固态激光器因其具有效率高、寿命长、结构科学等优势成为了研究热门,引导着研究与发展趋势,而且从另一个角度来看,LD面阵侧面泵浦的应用范围更广,不仅可以应用于固体激光器中,在激光测距、激光雷达等领域中也有着广泛应用.具体来讲,二极管泵浦固体激光器有两种形式,一种为侧面泵浦,另一种为端面泵浦,两者相比,侧面泵浦的性能稳定、结构简单、输出功率高,但其激光输出对于路径有着一定的要求,以泵浦光沿径方向进入晶体展开输出,目前现有的研究更侧重对于端面泵浦激光器的研究,对于其晶体吸收光场均匀性的优化与改善提出了有效的方法,对于泵浦棒状激光器的相关研究较少,传统利用三角形角度关系求解的算法过于复杂,而且存在明显的局限性,如果通过计算方法的优化,简化计算过程与计算步骤,更直观的体现其中的关系,也能够提升计算的准确率,为激光器的设计与研究提供科学的支持,因此,晶体吸收光场的均匀性是影响激光输出质量的关键,对这部分内容的探究对提升激光器设计质量、优化激光器设计有着重要意义.
一、光线追迹分析
光线追迹是指跟踪与汇总晶体表面出现折射光线产生的光线移动路径,通过其路径的模拟与计算可以观察与分析激光棒在输出激光过程中所作内抽运光动作时的能量分布情况,基于该条件的模拟,能够最大程度的还原光线路径.但光线追迹需要复杂、高难度的计算,模型的程序设计也十分繁琐,为了解决这一问题,提升分布模拟效率与效果,减少工作人员工作量,提出了利用高斯光束替代二极管的方式模拟泵浦光分布.实际操作中,建立泵浦晶体吸收光场后,由于并不能简单的利用高斯光直接替代LD面阵侧面泵浦光,所以还需要通过光线追迹进行计算,计算出泵浦光经过晶体后折射出光线的运动路径,文章以此为契机,通过创新计算方法,完整的模拟晶体棒上泵浦侧面泵浦光传播情况,如下图所示[1].
根据上图可以列出以下方程：（1）AD直线方程（泵浦光方程）为：y等于tanθi（x-x0）+y0;（2）圆方程（激光晶体棒边缘）为：（x-r）2+y2等于r2.通过两个方程的联立,可以计算出D点坐标,计为（x1,y1）,而若想求出入射角l则需要利用两直线夹角公式展开计算：tanl等于（tanθ1-y1/x1-r）/1+tanθi·（y1/x1-r）;在此基础上,通过正弦定理可以求出l’（对应折射角）,若求其折射光线斜率,则应使用,两直线角角公式：k’等于（tanl’+y1/x1-r）/1-tanl’·y1（x1-r）,获得斜率后,将D点坐标代入,可以获得折射光线方程：y等于k’（x-x1）+y1[2].
这个算法的提出实现了在不构建三角形求解角度情况下准确计算折线光线方程的目标,减少了诸多复杂的计算,尤其是在面阵泵浦离轴bar条折线关系追踪计算过程中,难度降低,能够有效提升计算结果的准确率以及获取效率.同时,该计算方法计算过程中以坐标点的方式给出LD泵浦光源位置,便于计算过程中的通用,方程联立时无需转换可以直接代入,该算法也可以应用于面阵泵浦、线阵泵浦、阵列交错泵浦中,应用范围也有所拓展.此外,传统的计算方法在实际应用过程中,经常遇到问题,影响计算结果的准确性,而该算法突破了问题的局限,如在装配固体激光器侧面面阵泵浦源过程中,也需要通过计算保障装配位置的准确性,但是由于面阵泵浦源会出现倾斜,导致面阵泵浦bar条发光点的坐标也出现倾斜,按照泵浦源的倾斜角度展开排列,传统的计算方法需要进行位置调整以及计算结果修正,过程十分复杂,该计算方法直接通过计算面阵泵浦倾斜状态下晶体的吸收光场分布情况即可,不仅减少了麻烦,也缩小了结果与实际值之间的差距.
二、单向面阵泵浦状态晶体吸收光场情况
当泵浦条件处于相同状态下,泵浦结构晶体吸收光场也会产生差异与不同,而不同光场分布也会影响激光输出功率,因此,需要对单向面阵泵浦状态晶体吸收光场的所有情况展开分析,通过模拟才能获得完整的全固态激光器设计理论基础.此次分析中,模拟出泵浦条件为：泵浦距离1.5毫米、总泵浦功率100瓦、晶体半径2毫米、晶体折射率1.86、晶体吸收系数0.1mm-1.
一是,bar条个数存在差异条件下单向面阵泵浦光场分布情况分析.Bar条数是影响晶体吸收光场均匀性的重要效率,而且其影响范围不仅如此,还会作用于泵浦效率.因此,模拟过程中以0.8毫米的间距设置bar条,分析其晶体吸收光场情况,并逐步增加bar条数,观察功率平均值以及方差的变化情况,可以发现,bar条数增加后,晶体吸收光场的分布情况发生了改变,其均匀性随着bar数量增加变差;泵浦效率也有所变化,当bar数量为3时,泵浦效率达到最高点,1条—3条时泵浦效率整体处于递增状态,而增加到4条后,泵浦效率则开始下降,至第5条时始终处于下降状态.出现这种情况是因为,bar条数的不同,影响泵浦光照射晶体棒面积,如果泵浦功率始终恒定,bar条数越少其照射面积越大、越均匀,照射面积变小后,晶体无法均匀吸收泵浦光,导致泵浦效率下降、光场分布均匀性变差[3].
二是,bar条间隔存在差异条件下单向面阵泵浦光场分布情况分析.bar条的间隔距离也是影响泵浦结构晶体吸收光场吸收效果的重要因素,基于上述条件模拟bar条间距不同的条件,以间距为0.2毫米、0.4毫米、0.6毫米、0.8毫米进行了模拟分析,可以发现,bar条间距的提升使晶体吸收光场均匀性发生了改变,其间距越大,均匀性越高,当间距为1.0毫米时,泵浦效率最高,当间距处于0.2毫米—1.0毫米范围内时,泵浦效率始终处于递增状态,超过1.0毫米后,泵浦效率快速下降,這种情况出现的主要原因是,bar条间距较小会限制发散角,晶体棒只有局部能够接受到泵浦光的照射,导致晶体结构无法充分吸收泵浦光,影响晶体吸收光场的均匀性,而随着其间距的增加,泵浦光可以从晶体两侧等不同的角度超过,影响了泵浦效率,但是光场分布均匀性得到了明显的改善.
三是,泵浦倾斜角度存在差异条件下单向面阵泵浦光场分布情况分析.泵浦结构中,bar面倾斜角度发生变化也会影响晶体吸收光场均匀性,设定bar面倾斜角度为0°、1°、2°、3°,模拟泵浦光照射环境,可以发现,当bar面处于微微倾斜状态时,泵浦結构晶体吸收光场分布均匀性处于最佳状态,但即使倾斜面角度发生了3°左右的改变,倾斜也未对晶体吸收光场产生影响;而泵浦效率随着倾斜度的增加,则开始降低,当bar面倾斜0.5°时,泵浦效率最高,但是在3°范围内泵浦效率的变化也并不明显.这种情况出现的主要原因是,bar面倾斜角度发生变化后,晶体棒上泵浦光照射位置发生了改变,但改变程度有限,并不会导致光照位置发生较大变化,从而对晶体吸收光场以及泵浦效率的影响也较小.
目前,基于bar与泵浦效率、晶体吸收光场之间的关系可以做出以上的分析,发现当bar处于不同情况与条件时,泵浦效率与晶体吸收光场都会出现变化,这些变化在全固态激光器的设计与研究过程中则为不稳定因素,严重威胁着设计的可靠性,需要明确掌握这些内容,在激光器设计过程中逐一展开分析与计算,才能保障拥有完善的理论基础、可靠的依据,提升激光器设计成功率,优化激光器结构与组成.
三、结语
综上所述,文章以一种新的计算方法展开光线追迹进行全固态激光器侧面泵浦Nd：YAG晶体吸收光场分布情况分析,可以发现晶体吸收分布光场与泵浦效率会随着泵浦结构变化以及bar的变化而发生变化,文章具体模拟了每种条件以及情况,分析了对晶体吸收光场与泵浦效率产生的影响以及原因,发现该算法降低了整个计算的复杂性,使整个分析更加直接、明了,便于操作与执行,可以为全固态激光器的研究与设计提供可靠的理论,并便于优化设计,可以广泛应用于全固态激光器的设计以及研究中.
参考文献：
[1]李耀,李阳,王超.LD面阵侧面泵浦Nd：YAG晶体吸收光场研究[J].中国光学,2018,11（2）：206-211.
[2]李耀,李阳,王超.LD面阵侧面泵浦Nd：YAG光场均匀性研究[J].长春理工大学学报（自然科学版）,2018,41（2）：24-27.
[3]聂喻梅.激光二极管侧面泵浦的Nd∶YAG激光放大器[J].重庆理工大学学报（自然科学版）,2017,31（3）：128-131.
作者简介：曹剑（1987-）,男,汉族,河北邢台人,硕士研究生,工程师,研究方向：激光技术.
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情况引用文献:
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