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1、端面抽运固体激光器的输入输出特性分析m尚连聚(作者:男,28岁，硕士，讲师;曲阜师范大学物理工程学院,273165,山东省曲阜市)摘要：分析了端面抽运固体激光器的输入输出特性;给出了输出功率随输入功率变化的函数矢系曲线；给出了输出功率随泵浦光腰斑位置变化的函数尖系曲线;文中的分析可为端面抽运固体激光器的设计提供参考.尖键i司：输入输出特性；端面抽运；固体激光器中图分类号：1N242文献标识码:A文章编号：1001-5337(2004)02-0057-03固体激光器具有高效率紧凑稳定长寿命和光束质量高等优点,在军事工业医学和科研等翎域已经得到了广泛应用'.为了提高固体激光器笊光一)t转换
2、效率输出功率和工作稳定性，我们必笏认真考虑有尖输入输出特性的基本问题.本文深人分析了端面抽运固体激光器的输入输出特性，集中体现在以下2个方面：激光器输人功率与输出功率的尖系；泵浦光腰斑位置对输出功率的影响.文中进行具体的理论与数值计算时均以激光二极管端面抽运的1342nmNd:WO4激光器？为例说明问题,泵浦激光波长4=808nm,泵浦光束为圆对称高斯光束，泵浦光束腰尺寸那=300“叫腔长厶=65mm;Nd:YVO4晶体'的具体参数:长度1=5mm;受激发射截面*6.0>40'19cm2；吸收系数a=J4.6cm'1；荧光寿命「尸90“s.本文对输入输出特性的分析可为同类固体激光器的设
3、计提供参考.率#为增益介质的吸收效率卩为受激发射截面；T为激活介质的荧光寿命莎为腔的往返损耗；”为激活介质对信号光的折射率;厶为腔长;/是表示泵浦模与振荡模相互重叠的积分⑸.(1)式中的"和丿
4、的表达式分别为0=1・7),_exp(-«.,■>⑵J'一庇[1-exp(-a)pt]J+加其中，/为增益介质长度；。卩为增益介质对泵浦光的吸收系数;®Xz)为泵涌光在增益介质内z处的光斑半径，通常血p(z)满足0(Z)=Co0p+3IZ・Zop
5、,式中©”呦,0分别为泵浦光的束腰尺寸焦点位置发散角;〃儿为振荡光束腰尺寸；通常情况下，2处振荡光的光斑半径血(Z)近似等于少的大小.1.2近阈值情况
6、下的输出功率针对THVU模,近阈值情况下的输出功率为1理论模型；•凡)，⑶Nd:WO4晶体的辐射机理是典型的四能级过程，从激光器的理想四能级系统速率方程理论出发,其中机为振荡光子能量；凡为输入功率；厂为输出耦合率;丿2也是表示泵浦模与振荡模相互重叠的积分⑸•我们能推导出下面的重要结论“•1.1激光器的泵浦阈值针对TEVU模,激光器的泵浦阈值为(3)式中丿2的表达式为/LIexp(-qjp一⑷2祐o,L2[-旳(rz)+(fJOx定义重叠效率因子"=2，它决定了泵浦光与振荡其中叫为泵浦光子能量刃为光学系统的耦合效光的空间重叠程度.定义平均泵浦光斑半径®=-3；（z）d:'，若用码代替①
7、p），则丿和八1-幺（）J的表k式分别简化为=4=22祐（氷c（2~p+©：）''
8、tL（cq,Mg./'1.3远离阈值情况下的输出功率针对THVU模，远离阈值情况下的输出功率为1L6代ut=〃捫»•孑"⑸从（5）式可以看出，在输入功率凡一定和保持厂不变的情况下，提高光学系统的耦合效率,提高增益介质的吸收效率&或降低腔内往返损耗，均可提高远离阈值情况下激光器的输出功率.2输入输出特性分析2.1近阈值情况下的输入输出特性根据（3）式,通过数值积分可得输出功率随输入功率变化的尖系曲线，如图1所示.计算时取=143根据平凹腔束腰尺寸的计算公式“可得%的值）•1.801.621.441.261
9、.080.900.720.8-—T—I—「2.04.46.89.2输入功率/W图2远离阈值情况下输出功率几"随输入功率几变化的矢系曲线2.3泵浦光腰斑位胃对输出功率的影响阈值公式⑴和输出功率公式⑶表明，泵浦光焦点衽激光介质中的位置（焦点至前端面的距离）直接影响泵浦阈值的大小，从而影响激光器的输出功率与斜率效率.因此泵浦光焦点位置存在一最佳值z叭,使得激光器的输出特性最佳.针对TEW模,根据（1）<2）©）和（4）式，通过数值枳分即可算出泵浦光焦点位置初对输出功率的影响，如图3所示.计算时取输入功率Pin=500mW,其他条件不变.个1.0■0.8-0.0-«-■
10、1T10012345z
11、*/mm图3输出功率/^与泵浦光腰斑位賈術的尖系曲线0.540.360.18o.oo+1111H0.410.731.051.371・682,00输入功率/W图1近阈值情况下输出功率代“随输入功率凡变化的尖系曲线2.2远离阈值情况下的输入输出特性根据（5）式，可得远离阈值情况下输出功率随辅入功率变化的尖系曲线，如图2所示•计算时仍衆取振荡光束腰尺寸如=143//m，其他条件不变.从图3可以看出，对于端面泵浦方式，在其它条件一定时,存在一个使输出功
