高功率半导体横向泵浦Cs蒸气激光热效应分析

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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,国内外一些研究小组对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。在端面泵浦方式下,国内外研究小组取得了一系列的成果,最大输出功率可以达到48W。但是在追求更高功率的过程中,由于端面泵浦光束数的局限性,研究人员采用可以利用更多泵浦光束的横向泵浦方式。由于横向泵浦方式的应用,以及泵浦功率的提高,热效应问题也更加突出,在实验上采用脉冲泵浦和流动增益介质来减小热效应,但是有关横向泵浦的热效应问题以及增益池内的温度场分布的理论分析还少有报道,故对二极管横向泵浦碱金属激光的热效应进行研究还是非常有意义的。本文在我们前期对二极管纵向泵浦碱金属激光的温度场分布和热透镜效应研究成果的基础上,结合前期相关动力学模型研究,以横向泵浦圆柱体增益介质为研究对象,建立热传导模型利用Mathematics对横向泵浦圆柱体碱金属蒸气池中的温度场进行数值模拟分析。但是圆柱体型增益介质对泵浦光的吸收有不对称的特点,研究有一定的难度,最终模拟分析的数据跟实验不尽相符,但是三维温度分布差分方法还是一种解决增益介质内温度场分布的有效方法。在圆柱体增益介质的研究基础上,结合杨子宁等人的理论模型,建立了长方体增益介质的热传导模型。假定泵浦光为高斯分布,考虑介质对光的非线性吸收效应,在单端泵浦情况下,利用MATLAB的龙格库塔方法,得到了增益介质池内的二维温度场分布图,并且进一步分析了泵浦光功率、束腰半径大小、介质吸收率对温度分布的影响。模拟结果显示提高泵浦源功率、减小束腰和提高吸收率都会使温度和温度梯度发生变化。为深入理解高功率横向泵浦碱金属激光中的热效应机制、不断改善该类激光的热管理性能和输出特性提供借鉴和参考。
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