Yb:YAG碟片激光晶体倒角特性对ASE效应的影响与优化设计

来源 :华中科技大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:May-02
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碟片激光器是一种增益介质径厚比非常大,具有高输出激光功率,高效率和高光束质量的半导体泵浦的固体激光器,拥有十分广阔的发展前景。通过增大泵浦光光斑面积的方法可以进一步提高碟片激光器的输出功率,但是同时也会带来越来越严重的放大自发辐射(ASE)效应。ASE光子会大量消耗碟片泵浦区内的反转粒子数,与输出激光形成竞争,最终限制输出激光功率的进一步提高。带倒角的碟片设计为抑制ASE效应提供了一个有效的途径。本文采用几何光学的光线理论,采用MonteCarlo光线追踪技术建立了具有倒角的碟片激光晶体的分析模型,分析了不同倒角角度碟片的抑制ASE效应能力,揭示了碟片晶体内部ASE光子放大及逃逸碟片晶体的动态过程。通过优化分析,给出了最佳倒角角度的设计方案,为高功率碟片激光器核心单元器件的设计提供了重要的设计数据,这将有助于在未来设计带倒角的碟片的倒角角度和碟片其他的参数时能提供一个比较合理的方案。具体的研究内容如下:
  首先,本文以Yb:YAG碟片晶体为例,结合“MonteCarlo光线追迹法”和“几何光学分析理论”建立了完整的ASE光子传输路径分析模型。通过一系列的理论分析和合理近似,以ASE光子多次往返泵浦区所消耗的反转粒子数能量和作为评价碟片内部ASE效应强弱的标准,得到了不同倒角角度的碟片对于ASE效应抑制能力的变化情况。我们发现存在一个临界倒角角度57°,当倒角角度小于临界角时,碟片对于ASE效应的抑制能力总体上是随着倒角角度的增大而逐渐增大的;当倒角角度等于临界角时,碟片对于ASE效应的抑制能力基本达到最强,之后再继续增大倒角角度只会使得碟片上表面的可用泵浦区面积进一步减小。
  其次,我们使用上述分析结果,结合基于“JochenSpeiser解析思想”所建立的ASE光子流密度模型,再结合Yb:YAG自身特殊的准三能级结构而建立的速率方程,对碟片激光器的输出特性进行了MATLAB软件仿真,分析得到了不同倒角角度的碟片对于激光器的输出特性的影响。
  最终,我们采用了有效元分析软件COMSOL分析了不同倒角角度的碟片的温度分布情况,并且结合实验论证,我们发现不带倒角的碟片侧面发热严重的主要原因并不是ASE效应所带来的额外的量子亏损发热导致的,而是碟片侧面存在残留的金属焊料In吸收ASE光子所导致的发热。同时我们还设计了两个可以验证本文理论结论的实验方案。
  通过本文的研究,我们发现倒角对于Yb:YAG碟片激光器内部的ASE效应确实有抑制作用,同时还能有效降低碟片侧面的发热情况。我们还得到了一个临界倒角角度57°,此时倒角对于碟片激光器内部ASE效应的抑制能力基本已达到最强。
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