LD面陣側(cè)面泵浦Nd：YAG晶體吸收光場的分布情況研究

摘?要：文章通過創(chuàng)新泵浦光路徑求解計算方法，分析LD面陣側(cè)面泵浦Nd：YAG晶體吸收光場的分布情況，判斷其均勻性，該分析致力于為LD面陣側(cè)面泵浦Nd：YAG激光器的研究提供堅實的理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：LD面陣側(cè)面泵浦;Nd：YAG晶體;光場

從現(xiàn)階段固體激光器的研究與發(fā)展方向來看，激光二極管泵浦全固態(tài)激光器因其具有效率高、壽命長、結(jié)構(gòu)科學等優(yōu)勢成為了研究熱門，引導著研究與發(fā)展趨勢，而且從另一個角度來看，LD面陣側(cè)面泵浦的應(yīng)用范圍更廣，不僅可以應(yīng)用于固體激光器中，在激光測距、激光雷達等領(lǐng)域中也有著廣泛應(yīng)用。具體來講，二極管泵浦固體激光器有兩種形式，一種為側(cè)面泵浦，另一種為端面泵浦，兩者相比，側(cè)面泵浦的性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單、輸出功率高，但其激光輸出對于路徑有著一定的要求，以泵浦光沿徑方向進入晶體展開輸出，目前現(xiàn)有的研究更側(cè)重對于端面泵浦激光器的研究，對于其晶體吸收光場均勻性的優(yōu)化與改善提出了有效的方法，對于泵浦棒狀激光器的相關(guān)研究較少，傳統(tǒng)利用三角形角度關(guān)系求解的算法過于復雜，而且存在明顯的局限性，如果通過計算方法的優(yōu)化，簡化計算過程與計算步驟，更直觀的體現(xiàn)其中的關(guān)系，也能夠提升計算的準確率，為激光器的設(shè)計與研究提供科學的支持，因此，晶體吸收光場的均勻性是影響激光輸出質(zhì)量的關(guān)鍵，對這部分內(nèi)容的探究對提升激光器設(shè)計質(zhì)量、優(yōu)化激光器設(shè)計有著重要意義。

一、光線追跡分析

光線追跡是指跟蹤與匯總晶體表面出現(xiàn)折射光線產(chǎn)生的光線移動路徑，通過其路徑的模擬與計算可以觀察與分析激光棒在輸出激光過程中所作內(nèi)抽運光動作時的能量分布情況，基于該條件的模擬，能夠最大程度的還原光線路徑。但光線追跡需要復雜、高難度的計算，模型的程序設(shè)計也十分繁瑣，為了解決這一問題，提升分布模擬效率與效果，減少工作人員工作量，提出了利用高斯光束替代二極管的方式模擬泵浦光分布。實際操作中，建立泵浦晶體吸收光場后，由于并不能簡單的利用高斯光直接替代LD面陣側(cè)面泵浦光，所以還需要通過光線追跡進行計算，計算出泵浦光經(jīng)過晶體后折射出光線的運動路徑，文章以此為契機，通過創(chuàng)新計算方法，完整的模擬晶體棒上泵浦側(cè)面泵浦光傳播情況，如下圖所示[1]。

根據(jù)上圖可以列出以下方程：（1）AD直線方程（泵浦光方程）為：y=tanθi（x-x0）+y0;（2）圓方程（激光晶體棒邊緣）為：（x-r）2+y2=r2。通過兩個方程的聯(lián)立，可以計算出D點坐標，計為（x1，y1），而若想求出入射角l則需要利用兩直線夾角公式展開計算：tanl=（tanθ1-y1/x1-r）/1+tanθi·（y1/x1-r）;在此基礎(chǔ)上，通過正弦定理可以求出l（對應(yīng)折射角），若求其折射光線斜率，則應(yīng)使用，兩直線角角公式：k=（tanl+y1/x1-r）/1-tanl·y1（x1-r），獲得斜率后，將D點坐標代入，可以獲得折射光線方程：y=k（x-x1）+y1[2]。

這個算法的提出實現(xiàn)了在不構(gòu)建三角形求解角度情況下準確計算折線光線方程的目標，減少了諸多復雜的計算，尤其是在面陣泵浦離軸bar條折線關(guān)系追蹤計算過程中，難度降低，能夠有效提升計算結(jié)果的準確率以及獲取效率。同時，該計算方法計算過程中以坐標點的方式給出LD泵浦光源位置，便于計算過程中的通用，方程聯(lián)立時無需轉(zhuǎn)換可以直接代入，該算法也可以應(yīng)用于面陣泵浦、線陣泵浦、陣列交錯泵浦中，應(yīng)用范圍也有所拓展。此外，傳統(tǒng)的計算方法在實際應(yīng)用過程中，經(jīng)常遇到問題，影響計算結(jié)果的準確性，而該算法突破了問題的局限，如在裝配固體激光器側(cè)面面陣泵浦源過程中，也需要通過計算保障裝配位置的準確性，但是由于面陣泵浦源會出現(xiàn)傾斜，導致面陣泵浦bar條發(fā)光點的坐標也出現(xiàn)傾斜，按照泵浦源的傾斜角度展開排列，傳統(tǒng)的計算方法需要進行位置調(diào)整以及計算結(jié)果修正，過程十分復雜，該計算方法直接通過計算面陣泵浦傾斜狀態(tài)下晶體的吸收光場分布情況即可，不僅減少了麻煩，也縮小了結(jié)果與實際值之間的差距。

二、單向面陣泵浦狀態(tài)晶體吸收光場情況

當泵浦條件處于相同狀態(tài)下，泵浦結(jié)構(gòu)晶體吸收光場也會產(chǎn)生差異與不同，而不同光場分布也會影響激光輸出功率，因此，需要對單向面陣泵浦狀態(tài)晶體吸收光場的所有情況展開分析，通過模擬才能獲得完整的全固態(tài)激光器設(shè)計理論基礎(chǔ)。此次分析中，模擬出泵浦條件為：泵浦距離1.5毫米、總泵浦功率100瓦、晶體半徑2毫米、晶體折射率1.86、晶體吸收系數(shù)0.1mm-1。

一是，bar條個數(shù)存在差異條件下單向面陣泵浦光場分布情況分析。Bar條數(shù)是影響晶體吸收光場均勻性的重要效率，而且其影響范圍不僅如此，還會作用于泵浦效率。因此，模擬過程中以0.8毫米的間距設(shè)置bar條，分析其晶體吸收光場情況，并逐步增加bar條數(shù)，觀察功率平均值以及方差的變化情況，可以發(fā)現(xiàn)，bar條數(shù)增加后，晶體吸收光場的分布情況發(fā)生了改變，其均勻性隨著bar數(shù)量增加變差;泵浦效率也有所變化，當bar數(shù)量為3時，泵浦效率達到最高點，1條—3條時泵浦效率整體處于遞增狀態(tài)，而增加到4條后，泵浦效率則開始下降，至第5條時始終處于下降狀態(tài)。出現(xiàn)這種情況是因為，bar條數(shù)的不同，影響泵浦光照射晶體棒面積，如果泵浦功率始終恒定，bar條數(shù)越少其照射面積越大、越均勻，照射面積變小后，晶體無法均勻吸收泵浦光，導致泵浦效率下降、光場分布均勻性變差[3]。

二是，bar條間隔存在差異條件下單向面陣泵浦光場分布情況分析。bar條的間隔距離也是影響泵浦結(jié)構(gòu)晶體吸收光場吸收效果的重要因素，基于上述條件模擬bar條間距不同的條件，以間距為0.2毫米、0.4毫米、0.6毫米、0.8毫米進行了模擬分析，可以發(fā)現(xiàn)，bar條間距的提升使晶體吸收光場均勻性發(fā)生了改變，其間距越大，均勻性越高，當間距為1.0毫米時，泵浦效率最高，當間距處于0.2毫米—1.0毫米范圍內(nèi)時，泵浦效率始終處于遞增狀態(tài)，超過1.0毫米后，泵浦效率快速下降，這種情況出現(xiàn)的主要原因是，bar條間距較小會限制發(fā)散角，晶體棒只有局部能夠接受到泵浦光的照射，導致晶體結(jié)構(gòu)無法充分吸收泵浦光，影響晶體吸收光場的均勻性，而隨著其間距的增加，泵浦光可以從晶體兩側(cè)等不同的角度超過，影響了泵浦效率，但是光場分布均勻性得到了明顯的改善。

三是，泵浦傾斜角度存在差異條件下單向面陣泵浦光場分布情況分析。泵浦結(jié)構(gòu)中，bar面傾斜角度發(fā)生變化也會影響晶體吸收光場均勻性，設(shè)定bar面傾斜角度為0°、1°、2°、3°，模擬泵浦光照射環(huán)境，可以發(fā)現(xiàn)，當bar面處于微微傾斜狀態(tài)時，泵浦結(jié)構(gòu)晶體吸收光場分布均勻性處于最佳狀態(tài)，但即使傾斜面角度發(fā)生了3°左右的改變，傾斜也未對晶體吸收光場產(chǎn)生影響;而泵浦效率隨著傾斜度的增加，則開始降低，當bar面傾斜0.5°時，泵浦效率最高，但是在3°范圍內(nèi)泵浦效率的變化也并不明顯。這種情況出現(xiàn)的主要原因是，bar面傾斜角度發(fā)生變化后，晶體棒上泵浦光照射位置發(fā)生了改變，但改變程度有限，并不會導致光照位置發(fā)生較大變化，從而對晶體吸收光場以及泵浦效率的影響也較小。

目前，基于bar與泵浦效率、晶體吸收光場之間的關(guān)系可以做出以上的分析，發(fā)現(xiàn)當bar處于不同情況與條件時，泵浦效率與晶體吸收光場都會出現(xiàn)變化，這些變化在全固態(tài)激光器的設(shè)計與研究過程中則為不穩(wěn)定因素，嚴重威脅著設(shè)計的可靠性，需要明確掌握這些內(nèi)容，在激光器設(shè)計過程中逐一展開分析與計算，才能保障擁有完善的理論基礎(chǔ)、可靠的依據(jù)，提升激光器設(shè)計成功率，優(yōu)化激光器結(jié)構(gòu)與組成。

三、結(jié)語

綜上所述，文章以一種新的計算方法展開光線追跡進行全固態(tài)激光器側(cè)面泵浦Nd：YAG晶體吸收光場分布情況分析，可以發(fā)現(xiàn)晶體吸收分布光場與泵浦效率會隨著泵浦結(jié)構(gòu)變化以及bar的變化而發(fā)生變化，文章具體模擬了每種條件以及情況，分析了對晶體吸收光場與泵浦效率產(chǎn)生的影響以及原因，發(fā)現(xiàn)該算法降低了整個計算的復雜性，使整個分析更加直接、明了，便于操作與執(zhí)行，可以為全固態(tài)激光器的研究與設(shè)計提供可靠的理論，并便于優(yōu)化設(shè)計，可以廣泛應(yīng)用于全固態(tài)激光器的設(shè)計以及研究中。

參考文獻：

[1]李耀，李陽，王超.LD面陣側(cè)面泵浦Nd：YAG晶體吸收光場研究[J].中國光學，2018，11（2）：206-211.

[2]李耀，李陽，王超.LD面陣側(cè)面泵浦Nd：YAG光場均勻性研究[J].長春理工大學學報（自然科學版），2018，41（2）：24-27.

[3]聶喻梅.激光二極管側(cè)面泵浦的Nd∶YAG激光放大器[J].重慶理工大學學報（自然科學版），2017，31（3）：128-131.

作者簡介：曹劍（1987-），男，漢族，河北邢臺人，碩士研究生，工程師，研究方向：激光技術(shù)。