激光二极管抽运的被动调Q微晶片激光器仿真研究(5)

2019-05-17 12:48

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(End-pumping ),另外一种是侧面抽运(Side-pumping )。

在侧面抽运结构中,二极管阵列要与激光棒或激光板保持相同的方向,抽运方向要与激光谐振腔模的传播方向保持垂直。在端面抽运结构中,可以利用激光二极管的空间和光谱特征优良的特点,设计出抽运辐射的方向,是准直的,纵向聚焦,最终会聚到与谐振腔在同一条水平线上的激光材料中。 (1)端面抽运

小功率的激光二极管抽运的激光器常用的一种方式是端面抽运。这种二极管系统较小,布局紧凑。而且可以利用自身的耦合系统将二极管激光很好的射入固体介质。 这种端面抽运的二极管激光器,发射出的激光,会在激光棒的端面聚焦,形成一个斑点。选择合适的元器件,使得光斑的大小与谐振腔的TEM00模一致。所以,这种结构可以很高效的利用激光器发出的能量。

此类端面抽运激光器是结构是纵向的,激光器的激活的一部分与TEM00模体积匹配性很好。这样的激光器,即使没有光圈隔膜,也能够输出基模。

模式匹配度越好,激光器的设计就会越精巧。席佩斯[26]设计出了如下图所示的激光器结构。这种结构的二极管能够输出功率为200mW,波长为808nm的激光。经过光学器件的耦合,聚焦,最终射到端面上。平凹镜构造的腔的抽运端面镀上了高反膜。高反膜的波长是1064nm,反射性很强,反射率能够到达90%以上。

TE制冷器聚焦光器件散热器激光二极管阵列后镜810nm的对1064nm抽运辐有高反射率对810nm射有高透射率5cm曲率输出镜对1064nm波长的反射率为95%

图3.1 LD端面抽运的激光振荡器

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这类系统会产生TEM00模,总体来说,效率是很高的。端面抽运的激光器构造简洁,而且抽运面积与TEM00激光模之间有很好的重叠,这样一来,效率就会提高很多。

这种抽运方式的固体激光器在固体棒(或片)的前端面镀双色膜,这样一来,固体激光器振荡的波长就会完全翻折,抽运光波长几乎无损耗的透过;输出面具有对所需的固体激光波长合适的透过率。

目前,越来越多的激光介质都适用这种结构的激光器。例如:Nd3+: Bel, Nd3+: YAG上述材料的光谱是不一致的,重点影响到的是激光的阈值和斜率效率。随着研究的深入,目前激光器的端面可以掺杂多种元素,来改善激光器的性能,例如Ho, Tm, Yb, Cr。上面所述的激光器的介质形状大多是片状或者棒状,唯一例外的是光纤激光器。现在,越来越多的单模光纤激光器进入人们的视野,这类激光器的孔径小,阈值较低,所以能量利用率很高。二极管抽运技术发展迅速,各种构造新颖,功能更加完善,性能更加优良的激光器正大量出现。 (2)侧面抽运

高功率的二极管激光器就需要用固体列阵激光器从侧向来抽运。

结构如下:

散热器二极管阵列平移装置钕玻璃棒棒散热器

图3.2 LD侧面抽运固体激光器的实验装置

侧面抽运的二极管阵列有很大应用范围,仅通过耦合,二极管阵列排布到介质上。 40个激光二极管次阵列构成一个激光二极管,5个1cm长的脉冲激光二极管构成抽运阵列。

当二极管阵列的最大额定电流为80A时,一些参数如下:单个脉冲的能量是500mJ,

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脉冲宽度是200μs,谱线的宽度近似为4nm。

由于结构的原因,抽运的激活区域在棒部和片部的边界部分,不能与TEM00模体积很好的耦合,所以,多模会提高工作效率。 3.2 激光二极管抽运的微晶片激光器的发展概况

微晶片的构造很精巧,谐振腔面都是平的,腔长短,因而系统整体较小,成本低,输出性能很好,输出为单一频率,并且是高斯光束,特性好,发展前景广阔。

现在激光器研究的热点一是使功率提升,二是优化结构,使其更简单。微晶片与棒状,片状的介质相比,具有很强的优越性,用微晶片来替代,也是研究的一个热点。 80年代,开始研究单频的激光器。其中,Nd3+: YAG材料的微晶片激光器发展尤为迅速。在Nd3+: YAG的两个端面均镀光学膜构成激光谐振腔,这样来构成激光二极管抽运的微晶片激光器。这样一来,谐振腔的腔长会减小,腔长减小会有益于单个纵模的输出,激光器的体积也会随之减小。

但由于作为增益介质的Nd3+: YAG变薄,必然会降低抽运光的吸收率。解决这一问题的方法有两种,一种是令抽运光被二次吸收,可以通过镀反射膜来实现,第二种是提高抽运效率,可通过提高功率或提高YAG中Nd3+掺杂浓度来实现。

809nm PumpStressNd:YAG Microchip LaserPZT1.06um Single-Frequency Output

图3.3 1.064?mNd3+: YAG微晶片激光器

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1989年,林肯实验室利用掺杂l.lWt%的Nd3+的Nd3+: YAG微晶片激光器,将抽运功率提高几倍,成功观测到了单纵模输出,实现了1.06μm和1.3μm的Nd3+: YAG微晶片激光器[27]。

他们在输入端面镀反射膜,可以透过光束,在输出端面同样镀反射膜来反射抽运光。接下来,他们又研究了1.064μm Nd3+: YAG激光器的频率调节的性能[28]。通过施加应力来改变偏振方向,使之与Nd3+: YAG的腔长相平行,进而影响输出的频率。此实验所用的微晶片的尺寸是0.65mm×1.0mm×2.0mm。

输入功率为20~30mW的抽运光,获得了1~2mW的单个频率的光束。对PZT施加1000V左右的电压,当调制频率为0 ~ 80kHz时,调频的速度是30.3MHz/V。若提高频率,增加到80kHz

1990年,英国研究出了构造为半外腔的激光器,此二极管抽运的Nd3+: YAG微晶片激光器可以对1.3μm单频进行调整。此激光器的参数如下:晶体大小为3mm×0.7mm,谐振腔长是1.57mm,抽运阈值是100mW,最大功率是10mW。一个端面是输入镜,输出镜是耦合的。PZT控制耦合镜和电压,最高电压为1000V,可以得到120 MHz/V的调频速率,其变化幅度是120 GHz。

LDOPTYAGOCOuputPZT图3.4 半外腔结构的可调节1.3μm单频LD抽运Nd3+: YAG微片激光器

1991年,英国的科学家又利用F-P稳频的特性,调谐腔长,从而研究二极管抽运的 Nd: YAG微晶片激光器的稳定性。其选取的频率为1.3μm的波长。不稳定时,谱线宽度为5MHz,稳定后,谱线宽度降到88kHz。

1992年,林肯实验室使用了1.32μm的Nd3+: YAG微晶片,系统大小为

3?

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lmm×lmm×lmm,来研究频率,通过改变功率的大小来观测频率的变化。增大功率会改变增益介质的温度,从而改变折射率与谐振腔的长度。研究表明,电压变化10mV,功率随之变化8mW。

1992年,为了增大实验初始阶段抽运灯的效率,贝尔实验室制造出了Nd3+掺杂率为3%的Nd3+:YCeAG激光器。要想增大Nd3+的掺杂度,就需要降低抽运阈值。此1. 06μm单频的二极管抽运激光器的参数如下:谐振腔为540μm,抽运波长为0.809μm。特别的,当温度为220℃时,对应的抽运的阈值是43mW。温度每提高1℃,波长变化1.2nm。可以获得180GHz的调节范围。系统的频率稳定性较好。

1993年,林肯实验室使用谐振腔长度为0.5mm,掺杂1.8w t%的Nd3+的二极管抽运的微晶片激光器进行了实验,进行电光调节频率的探究。此抽运光是810nm ,可以输出的光为1.064μm,抽运阈值大小是100mW,效率是10%。当抽运功率数值达到阈值的几倍时,可以输出10mW的单纵模偏振。此类激光器的构造如下图3.5所示。

ElectrodeNd:YAGLaser DiodeOptic AxisLeadCopper

图3.5 电光调谐的微片激光器

用Nd3+: YAG微晶片和电光晶体来组合成谐振腔。对电光晶体施加压力,就会明显改变晶体的折射率。最后得到,在电压为1kV左右时,调频速率为14MHz/V,调频范围变化是0~1. 3GHz,范围可达30GHz。

1994年,美国的宝丽来公司和贝尔实验室合作研究了出了1.3μm二极管抽运Nd3+: YAG微晶片激光器的特性,单片Nd3+: YAG是用助熔剂法生长的,Nd3+的掺杂浓度为


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