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高功率二极管泵浦铯蒸气激光热效应分析

刘云峰  
【摘要】:半导体泵浦的碱金属蒸气激光器(Diode pumped alkali vapor lasers-DPALs)是近几年来发展较快的一种新型激光器件。它兼具固体激光器和气体激光器的优点,具有量子效率高、光学性能好、输出线宽窄(可达MHz)的突出优点。DPALs有望获得具有高光束质量的高效高功率近红外激光输出,并在激光冷却、定向能量传输、材料处理和大气传输等方面有着广泛的应用前景。近年来,国际上一些研究小组对DPALs开展了实验和机理方面的工作,并取得了一系列可喜的成果。到目前为止,一个铯-乙烷DPAL系统获得了最高的倾斜效率为81%,一个铷-甲烷-氦气DPAL系统获得了连续输出145 W的最高功率。 尽管DPALs的量子效率很高,但是在高功率运转时,热效应仍会对激光器的输出特性和转换效率产生重要影响。热透镜效应可以改变激光的模式,并且会导致泵浦光束模式和激光谐振腔模式的不匹配。因此,深入分析热透镜效应将对改善激光器的整体性能起到重要的作用。我们在前期有关DPALs的动力学和温度场分布工作的基础上,假设泵浦光束为高斯光束,并考虑介质的非线性吸收,本文建立了一个双端泵浦铯蒸气激光的热传导模型来对其热效应进行描述。根据铯激光的实验参数,通过求解这个模型,得到了不同泵浦功率下的径向温度场分布,并给出了相应的光程差(OPD)分布。结果表明,随着泵浦功率的增加径向温度梯度和光程差将会继续增大。我们进一步分析了一些实验参数,包括泵浦功率、缓冲气体压强、腔温度以及泵浦光束腰半径对热透镜焦距的影响。我们发现可以通过采取扩大泵浦光束腰半径、适当降介质池温度以及缓冲气体压强的方法来有效的减小光泵碱金属蒸气激光的热透镜效应,从而有利于提高激光的输出特性。 根据泵浦方式的不同,我们分端面纵向泵浦和侧面横向泵浦两种情况对DPAL的功率调制进行了系统的阐述,并对两种泵浦方式的优缺点进行了对比分析。从DPALs的发展趋势可以看出,在迈向高功率的过程中,采用横向泵浦流动增益介质的系统将有可能使DPAL的输出功率达到KW量级,甚至是MW量级。


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