固體激光介質(zhì)對泵浦光的吸收理論與cr39;4：yag調(diào)qnd：yvo,4激光器實驗及耦合系統(tǒng)分析

1、南開大學(xué) 博 士研究生畢業(yè) ( 學(xué)位 ) 論文摘 要激光二極管 泵浦代替燈泵浦是固態(tài)激光器發(fā)展的 歷史 選擇， 一是因為激光二極管泵浦的固體激光器比燈泵浦的固體激光器有更高的效率和更好的頻率穩(wěn)定性且線寬 變窄; 二是相對于直接使用激光二激管本身， 激光二 極管泵浦的固 體激光器線寬窄、峰 值功率高、亮度高等優(yōu)點。本文從固體激光器的發(fā)展歷史出發(fā)，闡述了二極管泵浦的全固化激光器在激光器領(lǐng)域中重要地位的形成及發(fā)展趨勢，對其存在的問題及解決這些

2、問題已有的做法也作了簡單的總結(jié)。本文還在如下幾個方面作了新探索。1 .激光晶 體對泵浦光的吸收亦即 泵浦光在激光介質(zhì)中的 變化。迄 今為 止， 人 們 一 直 使 用 比 爾 公 式 ( I = I o e O L , p 為 吸 收 系 數(shù) ， , L 為 光 在 激 光 介 質(zhì) 中的 傳輸距離， t o 為入射光強， I 為L處 光強) 來計算固體激光介質(zhì)中抽運光強度的變化。 但是 本文認 為比 爾公式存在一個 應(yīng)用范圍，即 入射

3、光強I 。 較小時 此公式才適用。本文從激光介質(zhì)中能量傳輸和能級躍遷速率方程出發(fā)，在一定的近似條件下，給出了抽運光強度變化的解析解。 結(jié)果表明，在一定傳輸距離范圍內(nèi)，隨著抽運光能量密度的增大，增益介質(zhì)對抽運光的吸收規(guī)律逐漸由指數(shù)函數(shù)變?yōu)榻凭€性函數(shù)。 把這個理論應(yīng)用于具體激光晶體，給出了泵浦光在激光晶體中隨傳輸距離指數(shù)變化、線性變化范圍以及介于這兩者之間的泵浦光的變化規(guī)律。論文第二章介紹了這方面的工作。2 .全固化激光器中激光晶體與泵浦

4、光的藕合尤其是大尺寸激光二極管陣列的光藕合是高效全固化激光器的關(guān)鍵問題。 本文根據(jù)激光二極管的發(fā)光特性， 分析了由微柱透鏡陣列和透鏡導(dǎo)管組成的 禍合系統(tǒng)。 較之前 人的 分析， 本文給出了 詳細的 數(shù)學(xué)處理過程，結(jié)合此數(shù)學(xué)處理方法用 Ma t i a b編制了一整套程序，包括模擬光線在藕合器件中 的傳輸過程程序、 光束通過禍合器件 后光強 在垂直光傳輸方向 上光強分布程序及光禍合效率 程序。 其中對于透鏡導(dǎo)管的 模擬結(jié)果得到了 與前人不

5、同 的結(jié)論， 即光束經(jīng)過透鏡導(dǎo)管后隨 著離透鏡導(dǎo)管出口 越來 越遠光斑分裂。 而這之前一直認為透鏡導(dǎo)管出口后的光強是準高斯分布。本論文分析結(jié)果可以指導(dǎo)正確的使用透鏡導(dǎo)管，即激光晶體盡量接近透鏡導(dǎo)管出口處。南開大學(xué)博士研究生畢業(yè) ( 學(xué)位)論 文AB S T R A C TF i r s t l y , d i o d e - p u m p e d s o l i d - s t a t e l a s e r s h a v

6、e t h e a d v a n t a g e s o f n a r r o w e r l i n e w i d t h , h i g h e r p e a kp o w e r s , b e t e r b e a m q u a l i t y , d i f f e r e n t w a v e l e n g t h s a n d h i g h e r b r i g h t

7、n e s s c o m p a r e d w i t h t h e d i r e c tu s e o f d i o d e s ; s e c o n d l y , d i o d e s - p u m p e d s o l i d - s t a t e l a s e r s o f e r t h e m a i n a d v a n t a g e s o f h i g h

8、 e re f i c i e n c y a n d b e t e r f r e q u e n c y s t a b i l i t y t h a n l a m p - p u m p e d d e v i c e s .T h i s p a p e r b e g i n s w i t h a h i s t o r i c a l r e v i e w o f t h e f i

9、 e l d o f s o l i d - s t a t e l a s e r s , a n d d e m o n s t r a t e s t h ef o r m a t i o n o f i m p o r t a n c e o f d i o d e - p u m p e d s o l i d - s t a t e l a s e r s a n d t h e t r e n

10、 d i n d e v e l o p m e n t i n t h ef i e l d o f l a s e r s . W e b r i e f l y s u m m a r y t h e p r o b l e m w i t h r e s p e c t t o d i o d e - p u m p e d s o l i d - s t a t e l a s e r sa

11、n d t h e c u r r e n t s o l u t i o n t o r e s o l v e t h i s p r o b l e m . W e m a k e n e w r e s e a r c h e s o n s o l i d - s t a t e l a s e r s a sf o l l o wsI P u m p l i g h t a b s o r

12、p t i o n i n s i d e a s o l i d s t a t e g a i n m e d i u m , n a m e l y , p u m p l i g h t v a r i a t i o n i n s i d e as o l i d - s t a t e l a s e r m e d i u mS o f a r B e e r ' s l a w

13、 ( 1 = 1 0 e - O ' ， w h e r e 1 i i s t h e a b s o r p t i o n c o e f i c i e n t a n d : i s t h e l i g h t p r o p a g a t i o nd i s t a n c e ) h a s b e e n u s e d t o c a l c u l a t e p u

14、 m p l i g h t i n t e n s i t y v a r i a t i o n s i n s i d e a s o l i d g a i n m e d i u m , b u tt h i s p a p e r r e p r e s e n t s a p p l i c a t i o n r a n g e o f B e e r ' s l a w , w

15、 h i c h i s t h a t t h e e x p o n e n t i a l a b s o r p t i o n o n l yo c c u r a t l o w e r p u m p i n g l i g h t p o w e r l e v e l s . T h i s p a p e r s t a r t s w i t h a l i g h t t r

16、 a n s p o r t e q u a t i o n a n d t h er a t e e q u a t i o n s w h i c h d e s c r i b e t h e o p e r a t i o n o f p u l s e l a s e r s , a n d p r e s e n t s t h e t h e o r e t i c a l s o l u

17、t i o n o ft h e p u m p l i g h t a b s o r p t i o n i n s i d e a g a i n m e d i u m， a n d t h e n w e g e t t h e a n a l y t i c a l s o l u t i o n o f p u m pl i g h t v a r i a t i o n s u n d

18、 e r c e r t a i n b o u n d a r y c o n d i t i o n s ( a p p r o x i m a t e c o n d i t i o n ) . T h e r e s u l t i n d i c a t e st h a t t h e p u m p l i g h t v a r i a t i o n r e g u l a r i t y

19、d o e s n o t s i m p l y f o l l o w t h e B e e r ' s l a w ( e x p o n e n t i a la b s o r p t i o n ) w h e n t h e e n e r g y i n s i d e a g a i n m e d i u m i s h i g h e n o u g h , b u t

20、 w i t h i n a c e r t a i n a b s o r p t i o nd e p t h , w i t h t h e v a r i a t i o n o f p u m p l i g h t e n e r g y i n t e n s i t y f r o m l o w l e v e l t o h i g h l e v e l , t h ea b

21、s o r p t i o n r e g u l a r i t y c h a n g e s f r o m a e x p o n e n t i a l f u n c t i o n t o a l i n e a r f u n c t i o n . T h i s c o n t e n t s w e r ei n c l u d e d a t t h e s e c o n d

22、c h a p t e r .2 H o w t o i m p r o v e t h e o p t i c a l c o u p l i n g b e t w e e n p u m p 噸 l i g h t a n d a l a s e r m e d i u m , e s p e c i a l l yb e t w e e n l a r g e s i z e L D a r r

23、a y a n d a l a s e r m e d i u m , i s a n i m p o r t a n t t a s k i n t h e f i e l d o f d i o d e - p u m p e ds o l i d - l a s e r s . T h e p a p e r s t a r t s w i t h t h e e m i t i n g c

24、 h a r a c t e r i s t i c s o f L D A a n d a n a l y z e s a o p t i c a lc o u p l i n g s y s t e m f o r m e d b y m i c r o - c y l i n d r i c a l l e n s e s a n d l e n s d u c t . W e g i v e t

25、 h e d e t a i l e dm a t h e m a t i c a l t r e a t i n g p r o c e s s c o m p a r e d t o p r e v i o u s a n a l y s e s . A c c o r d i n g t o t h e m a t h e m a t i c a lp r o c e s s i n g t h e p

26、a p e r r e p r e s e n t s a s e t o f m a t l a b p r o g r a m s t o s i m u l a t e l i g h t t r a n s m i t i n g i n s i d em i c r o - c y l i n d r i c a l l e n s e s a n d l e n s d u c t .Wi t

27、h t h e e m p l o y m e n t o f t h e s e p r o g r a m s , r a y - t r a c i n g p a t e r n o f L D ' r a y i n f a s t - a x i s d i r e c t i o nc o u p l e d勿 c y l i n d e r l e n s a n d l e n

28、s d u c t , i n t e n s i t y c u r v e o f L D' r a y i n f a s t - a x i s d i r e c t i o n a n d t h ec o u p l i n g e f f i c i e n c i e s o f c y l i n d e r l e n s a n d l e n s d u c t w