王曉丹，田立君，涂 勝，王志海，李慧劍，李 彬，賀也洹，葉大華

(西南技術(shù)物理研究所，成都 610041)

引 言

薄片激光器[1]是一種具有高功率、高脈沖儲(chǔ)能、高轉(zhuǎn)換效率和高光束質(zhì)量的全固態(tài)二極管抽運(yùn)激光器。它與傳統(tǒng)的固體激光器一樣也是由抽運(yùn)源、激光增益介質(zhì)和耦合光腔組成，不同的是薄片激光器晶體的后向焊接耦合在熱沉的前側(cè)[2]，并且輸出激光沿著晶體的徑向，因此薄片晶體的背面則同時(shí)充當(dāng)著抽運(yùn)、激光輸出波長(zhǎng)的高反射面和晶體冷卻的前表面。由于薄片激光器的晶體的厚度非常薄，其典型的厚度為0.1mm～0.5mm[3]，因此激光晶體的熱梯度分布可以近似地看成為1維的情形[4]，所以晶體熱效應(yīng)所引起的光學(xué)畸變就會(huì)變小，從而提高了輸出光的轉(zhuǎn)換效率和光束質(zhì)量。雖然薄的薄片晶體可以減小晶體的熱效應(yīng)，但是薄的晶體卻限制了對(duì)抽運(yùn)光的吸收，因此會(huì)嚴(yán)重降低輸出光相對(duì)抽運(yùn)光的轉(zhuǎn)換效率[5-7]，而且對(duì)于高能薄片激光器來(lái)說(shuō)，為了實(shí)現(xiàn)高功率的激光輸出，同時(shí)減小晶體表面的熱梯度，則需要大的抽運(yùn)光斑和更薄的激光晶體，而大的光斑則需要大體積的抽運(yùn)結(jié)構(gòu)來(lái)與之相匹配。但是，大體積的抽運(yùn)結(jié)構(gòu)則無(wú)疑增加了實(shí)驗(yàn)的成本和加工工藝的精度，而更薄的激光晶體則更加限制了抽運(yùn)光的吸收。

目前，國(guó)外以德國(guó)斯圖加特大學(xué)和Trump公司為主，德國(guó)Trump公司6沖程、24沖程、48沖程的多沖程轉(zhuǎn)折抽運(yùn)吸收結(jié)構(gòu)以成對(duì)的互補(bǔ)棱鏡來(lái)折返抽運(yùn)光并讓其多次經(jīng)過(guò)聚集透鏡聚焦到晶體上，從而實(shí)現(xiàn)不同沖程的吸收[8]。國(guó)內(nèi)以華中科技大學(xué)設(shè)計(jì)的離軸拋物面抽運(yùn)結(jié)構(gòu)[9-10]、中國(guó)工程物理研究院WANG團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的16沖程結(jié)構(gòu)[11]和哈爾濱工業(yè)大學(xué)介紹的24沖程結(jié)構(gòu)[12]為主。華中科技大學(xué)采用的是雙面對(duì)稱抽運(yùn)非球面聚焦結(jié)構(gòu)，其方法利用兩個(gè)非球面共軸使抽運(yùn)光經(jīng)過(guò)兩個(gè)透鏡反射將抽運(yùn)光聚焦在其中一個(gè)中間打孔的非球面中心，從而實(shí)現(xiàn)不同沖程的抽運(yùn)吸收。中國(guó)工程物理研究院WANG團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的16沖程結(jié)構(gòu)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)介紹的24沖程結(jié)構(gòu)則都是對(duì)德國(guó)斯圖加特大學(xué)和Trump公司[13]提出的遠(yuǎn)心成像抽運(yùn)結(jié)構(gòu)和多對(duì)互補(bǔ)棱鏡轉(zhuǎn)折抽運(yùn)光方法的改進(jìn)。

因?yàn)楫?dāng)輸出激光的轉(zhuǎn)換效率相同時(shí)，多的抽運(yùn)沖程數(shù)可以有效地減小薄片增益介質(zhì)的厚度和摻雜濃度[14]，從而可以減小晶體表面的熱抗、平均溫度和摻雜粒子的增益光子的散射[15]，提高晶體后表面的冷卻效率和輸出光的光束質(zhì)量。

本文中基于以上3種不同類(lèi)型的抽運(yùn)吸收結(jié)構(gòu)，采用多次抽運(yùn)吸收的方式，結(jié)合光斑離軸非對(duì)稱反射拋物面和光斑對(duì)稱分布非球面的抽運(yùn)結(jié)構(gòu)，提出了一種可以提高非球面光束分布占空比的高沖程抽運(yùn)的新方法。設(shè)計(jì)了多種提高抽運(yùn)吸收效率的多沖程、小體積的抽運(yùn)結(jié)構(gòu)，并用ZEMAX模擬驗(yàn)證了24沖程抽運(yùn)時(shí)的光路分布和光斑位置圖，通過(guò)比爾吸收定律理論計(jì)算了不同抽運(yùn)沖程下薄片晶體對(duì)抽運(yùn)光的吸收效率。

1 透鏡轉(zhuǎn)折聚焦結(jié)構(gòu)

對(duì)于薄片激光器Yb∶YAG準(zhǔn)三能級(jí)的晶體，其下能級(jí)的閾值功率密度則相對(duì)較高，因此就需要抽運(yùn)結(jié)構(gòu)的抽運(yùn)光斑在薄片晶體上有較高的重疊率和邊界銳度來(lái)增加抽運(yùn)功率密度，從而減小光斑的彌散像差。其中最簡(jiǎn)單的抽運(yùn)結(jié)構(gòu)是遠(yuǎn)心成像抽運(yùn)系統(tǒng)：它由一對(duì)90°平面轉(zhuǎn)折鏡和一個(gè)聚焦球面鏡或者非球面鏡組成。遠(yuǎn)心成像抽運(yùn)系統(tǒng)工作原理如圖1所示。二極管激光器耦合輸出光首先通過(guò)光束整形，然后經(jīng)過(guò)聚焦透鏡將抽運(yùn)光第1次準(zhǔn)直會(huì)聚到薄片晶體上，而第1次沒(méi)有被吸收的抽運(yùn)光則會(huì)通過(guò)晶體后表面反射膜的反射進(jìn)行第2次吸收，經(jīng)過(guò)反射的抽運(yùn)光則會(huì)再一次經(jīng)過(guò)聚焦透鏡聚焦，然后經(jīng)過(guò)一對(duì)90°轉(zhuǎn)折棱鏡改變抽運(yùn)光在聚焦透鏡上的位置進(jìn)行第2次準(zhǔn)直會(huì)聚，從而實(shí)現(xiàn)在晶體上的第3次吸收；第2次經(jīng)過(guò)晶體后表面的反射后，晶體則會(huì)第4次吸收第3次未被吸收的抽運(yùn)光，然后按照?qǐng)D中④的位置經(jīng)過(guò)透鏡和轉(zhuǎn)折棱鏡到達(dá)平面端鏡，從而實(shí)現(xiàn)8沖程的抽運(yùn)吸收。對(duì)于更高的抽運(yùn)沖程，此方法需要增大聚焦透鏡和轉(zhuǎn)折棱鏡的尺寸，而且光斑在聚焦透鏡上的空間占空比也不高。

Fig.1 Tele-centric imaging focus pumping system

當(dāng)提高二極管的抽運(yùn)功率時(shí)，此方法由于是投射式聚焦所引起的光學(xué)像差也會(huì)改變光斑在晶體上的重疊率，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響輸出光的光束質(zhì)量。所以，在高功率、高沖程、小體積的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中此方法就顯得不太實(shí)用。

2 離軸拋物面反射抽運(yùn)結(jié)構(gòu)

為了提高抽運(yùn)沖程的次數(shù)，同時(shí)減小抽運(yùn)結(jié)構(gòu)的體積，相對(duì)于遠(yuǎn)心成像的抽運(yùn)結(jié)構(gòu)和華中科技大學(xué)設(shè)計(jì)的雙面對(duì)稱抽運(yùn)結(jié)構(gòu)，作者提出了一種離軸抽運(yùn)吸收結(jié)構(gòu)，并且通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)的相對(duì)角度就可以實(shí)現(xiàn)不同沖程的吸收，設(shè)計(jì)的離軸反射式拋物面系統(tǒng)如圖2a所示。該結(jié)構(gòu)中所包含的是一個(gè)薄片晶體、一個(gè)大的非球面拋物鏡和兩個(gè)鍍高反射率(high reflectance,HR)膜的柱面棱鏡。由于是離軸聚焦的光學(xué)抽運(yùn)結(jié)構(gòu)，其光束聚焦是不對(duì)稱分布的，相對(duì)于圖1的抽運(yùn)結(jié)構(gòu)，圖2a中的長(zhǎng)方形棱鏡替代了上例中的兩個(gè)柱面棱鏡，而且其中一個(gè)柱面棱鏡相對(duì)于另一個(gè)柱面棱鏡有一個(gè)角度θ的旋轉(zhuǎn)，角度θ的旋轉(zhuǎn)則決定了抽運(yùn)沖程數(shù)的大小。

Fig.2 a—off-axis parabolic focusing scheme b—corresponding draw of distributed pumping light

結(jié)合圖2b中柱面棱鏡上光斑的位置分布圖，能夠更清楚地理解在多沖程離軸拋物面抽運(yùn)光路中的光束軌跡和路徑。圖2b中，數(shù)字①代表了所校準(zhǔn)的耦合光束，其經(jīng)過(guò)非球拋物面反射后會(huì)傳播到薄片晶體上，而剩下的抽運(yùn)光將會(huì)從薄片后表面反射進(jìn)行第2次吸收，然后再一次被非球面的拋物鏡準(zhǔn)直到柱面棱鏡上②的位置，同樣抽運(yùn)光束又會(huì)被轉(zhuǎn)折棱鏡轉(zhuǎn)折到棱鏡上③的位置。因此，通過(guò)③的抽運(yùn)光則會(huì)按照非球面拋物面鏡、薄片晶體、非球面拋物鏡和柱面棱鏡的順序以此到達(dá)④的位置。以此類(lèi)推，薄片晶體上就會(huì)產(chǎn)生多次的迭代吸收。本例中的結(jié)構(gòu)為16沖程、32沖程的吸收。

如上所述，兩個(gè)柱面棱鏡之間的夾角決定了抽運(yùn)沖程的次數(shù)。因此，可以通過(guò)減小二者之間的相對(duì)間隔，來(lái)增加抽運(yùn)沖程的次數(shù)，如果用N來(lái)代表抽運(yùn)沖程的總數(shù)，則N=360/θ。但是，如果拋物面鏡的大小和焦距一定時(shí)，通過(guò)減少光斑間隔的角度來(lái)增加抽運(yùn)沖程的次數(shù)就會(huì)減小了遠(yuǎn)視場(chǎng)光斑的抽運(yùn)尺寸和拋物面鏡、柱面棱鏡的表面占空比(抽運(yùn)沖程述越高，拋物面鏡和柱面轉(zhuǎn)折棱鏡的體積就越大)，而且在遠(yuǎn)視場(chǎng)上柱面棱鏡的光斑也可能會(huì)變得重疊起來(lái)，所以這種方法要求結(jié)構(gòu)具有非常高的調(diào)節(jié)精度。

3 新型結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

對(duì)于現(xiàn)有的商用薄片激光器，其典型的抽運(yùn)光學(xué)系統(tǒng)是由德國(guó)科學(xué)家GEUSIC和GIESEN所提出來(lái)的，目前商用的薄片激光器的輸出功率已經(jīng)達(dá)到16kW，并且應(yīng)用在激光加工、焊接、熔覆等各個(gè)領(lǐng)域。雖然德國(guó)所設(shè)計(jì)的泵模塊已經(jīng)商業(yè)化，但是從可查閱的文獻(xiàn)中能夠了解到其沖程數(shù)多為16沖程、24沖程、48沖程，且沒(méi)有明確的說(shuō)明?；诂F(xiàn)有薄片激光器的產(chǎn)品模塊和參考文獻(xiàn)的相關(guān)報(bào)道，本文中設(shè)計(jì)了12沖程、24沖程、36沖程的結(jié)構(gòu)，并且也提出了一種小體積、高空間利用率的抽運(yùn)結(jié)構(gòu)新方法。

3.1 12沖程的抽運(yùn)結(jié)構(gòu)

圖3a為12沖程的抽運(yùn)結(jié)構(gòu)。相對(duì)于德國(guó)抽運(yùn)6沖程的吸收結(jié)構(gòu)，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)則增加了一對(duì)轉(zhuǎn)折棱鏡，該結(jié)構(gòu)包括一個(gè)薄片激光晶體、一個(gè)非球面反射鏡、一個(gè)平面端鏡和兩對(duì)90°折返柱面棱鏡。從半導(dǎo)體抽運(yùn)源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)非球面拋物鏡和一對(duì)90°藍(lán)色棱鏡會(huì)將光束3次聚焦在晶體上，見(jiàn)圖3b中光斑位置分布的①、②、③，經(jīng)過(guò)非球面準(zhǔn)直的抽運(yùn)光會(huì)再經(jīng)過(guò)另一對(duì)90°轉(zhuǎn)折綠色棱鏡將抽運(yùn)光3次最后聚焦在晶體上，從而實(shí)現(xiàn)了晶體對(duì)抽運(yùn)光的6次會(huì)聚、12次的吸收。

Fig.3 a—12 passes pumping schemes b—corresponding draw of distributed pumping light

3.2 24沖程的抽運(yùn)結(jié)構(gòu)

國(guó)內(nèi)大多選擇16沖程的抽運(yùn)結(jié)構(gòu)，但是在高能激光武器或者輸出更高功率時(shí)，16沖程的抽運(yùn)吸收效率顯然是不夠的，而24沖程的抽運(yùn)結(jié)構(gòu)對(duì)于千瓦級(jí)功率的激光器設(shè)備卻是非常實(shí)用的，因?yàn)樵黾拥臎_程吸收可以大幅度地提高抽運(yùn)結(jié)構(gòu)的吸收效率和輸出光的轉(zhuǎn)換效率[16]。圖4a為24沖程的抽運(yùn)結(jié)構(gòu)，從圖中可以看到，整個(gè)抽運(yùn)系統(tǒng)由一個(gè)非球面的拋物鏡、4個(gè)反射的棱鏡和一個(gè)平面端鏡組成。抽運(yùn)光首先會(huì)通過(guò)非球面聚焦在晶體上，聚焦在晶體上的光會(huì)反射到一對(duì)藍(lán)色的柱面棱鏡上，如圖4b中光斑的分布圖，從柱面棱鏡反射的抽運(yùn)光則會(huì)再一次聚焦到晶體上，第4次迭代以后，抽運(yùn)光會(huì)反射到另一對(duì)綠色的柱面棱鏡上，經(jīng)過(guò)多次的迭代，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，本文中將所設(shè)計(jì)的抽運(yùn)結(jié)構(gòu)通過(guò)光路分析軟件ZEMAX進(jìn)行了光路和光斑分布的模擬，經(jīng)過(guò)仿真,如圖4c所示,12個(gè)光斑在柱面棱鏡和端鏡上的分布完全滿足實(shí)驗(yàn)初期所設(shè)計(jì)的抽運(yùn)結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步驗(yàn)證了24沖程抽運(yùn)的合理性。

Fig.4 a—24 passes pumping schemes b—corresponding draw of distributed pumping light c—ZEMAX simulation of 24 passes pumping schemes

3.3 36沖程的抽運(yùn)結(jié)構(gòu)

24沖程的抽運(yùn)系統(tǒng)具有緊湊的體積、抽運(yùn)吸收效率高的優(yōu)點(diǎn)，但是當(dāng)抽運(yùn)光的功率不斷升高時(shí)，由于24沖程抽運(yùn)光路的順序?yàn)轫槙r(shí)針的方向，如圖4b所示，光斑的分布從1～12都為順時(shí)針的方向，因此晶體上的光斑會(huì)因系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)誤差而變得彌散模糊，使得晶體上光斑的重疊率變得很小，光波像差畸變會(huì)變大，故基于此并結(jié)合離軸反射式非球面抽運(yùn)光反向補(bǔ)償光程的特點(diǎn)，本文中用一個(gè)角錐棱鏡實(shí)現(xiàn)了36次抽運(yùn)吸收的光程補(bǔ)償?shù)某檫\(yùn)結(jié)構(gòu)。如圖5a所示，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括一個(gè)薄片激光晶體、一個(gè)非球面反射鏡、一個(gè)角錐棱鏡、一個(gè)平面端鏡和兩個(gè)90°折返柱面棱鏡組成。如圖5b所示，從半導(dǎo)體抽運(yùn)源發(fā)出的光通過(guò)非球面拋物鏡和90°棱鏡將光束聚焦在晶體上，同24沖程一樣光斑會(huì)不斷的迭代，但是當(dāng)?shù)竭_(dá)光斑⑧的位置時(shí)，通過(guò)角錐棱鏡的光會(huì)折返在⑨的位置上，而此后的光路會(huì)相對(duì)前8次的順序以相反的方向多次會(huì)聚在非球面透鏡上，從而實(shí)現(xiàn)了9個(gè)～18個(gè)光斑逆時(shí)針?lè)较虻牡铡Ｕ错樞虻南嗷パa(bǔ)償，則會(huì)提高晶體上光斑分布的重疊率，從而減小了光斑分布的像差畸變，增加了輸出光的轉(zhuǎn)換效率。

Fig.5 a—36 passes pumping schemes b—corresponding draw of distributed pumping light c—36 passes pumping contour of laser’s output light schemes

抽運(yùn)光經(jīng)過(guò)多次的聚焦，晶體增益介質(zhì)的粒子數(shù)就會(huì)反轉(zhuǎn)，而由增益介質(zhì)和一個(gè)耦合輸出腔鏡所構(gòu)成得諧振腔，就可以得到穩(wěn)定的激光輸出。圖5c為該沖程的整體結(jié)構(gòu)圖。該薄片激光器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抽運(yùn)光斑均勻、增益介質(zhì)冷卻效率高，所以可以應(yīng)用在高能激光系統(tǒng)中從而實(shí)現(xiàn)高的轉(zhuǎn)換效率和光束質(zhì)量。

3.4 高沖程的抽運(yùn)結(jié)構(gòu)

通過(guò)對(duì)離軸非球面轉(zhuǎn)折聚焦系統(tǒng)、德國(guó)Trump公司的抽運(yùn)模塊和作者所在課題組所改進(jìn)補(bǔ)償光斑的抽運(yùn)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)和總結(jié)，發(fā)現(xiàn)如果將離軸式的非球面轉(zhuǎn)折聚焦系統(tǒng)轉(zhuǎn)折光路的思想和對(duì)稱式非球面對(duì)稱式的光斑抽運(yùn)結(jié)構(gòu)相結(jié)合，則可以獲得更高抽運(yùn)沖程數(shù)的抽運(yùn)結(jié)構(gòu)，而且得到的抽運(yùn)結(jié)構(gòu)其體積更小、吸收效率更高，在同等非球面的尺寸大小時(shí)，還可以獲得對(duì)非球面空間更高的占空比。如圖6a所示,通過(guò)利用一個(gè)角錐棱鏡和一對(duì)90°轉(zhuǎn)折棱鏡可以在非球面棱鏡上實(shí)現(xiàn)多次迭代的抽運(yùn)吸收。如圖6b所示，抽運(yùn)光從1的位置進(jìn)入到非球面，然后經(jīng)過(guò)薄片晶體的第1次吸收，抽運(yùn)光會(huì)從晶體后表面反射回來(lái)入射到非球面上進(jìn)行準(zhǔn)直，與上面的抽運(yùn)結(jié)構(gòu)一樣抽運(yùn)光會(huì)一直到達(dá)光斑的位置，而此時(shí)再通過(guò)角錐棱鏡的全反射性將抽運(yùn)光對(duì)稱反射到的位置，但是光斑則相對(duì)于入射光的位置會(huì)發(fā)生傾斜雙側(cè)對(duì)稱的分布，而傾斜的角度則決定了光斑在角錐棱鏡上的位置分布。然而從圖6c上和⑨的相對(duì)位置來(lái)看，其本應(yīng)該在非球面的x軸上對(duì)稱分布，所以為了實(shí)現(xiàn)在角錐棱鏡左上角的位置分布，則需要在36°的基礎(chǔ)上額外增加6°的傾斜(不一定非是6°取決于晶面尺寸的大小)，從圖6b可以看到,光斑的實(shí)際入射角度為42°。同樣按照上面24沖程光斑分布的順序結(jié)構(gòu)圖，光束多次迭代后到達(dá)的位置，由圖6a可以看到,再利用一個(gè)90°反射圓角折疊鏡將光路的光斑反射在的位置，再按照如圖6b光斑分布的迭代順序，光斑會(huì)一直到達(dá)的位置，此刻光束可以通過(guò)一個(gè)小的附加的吸收端鏡而結(jié)束光束的抽運(yùn)傳播，當(dāng)然從圖上的虛線的圓圈也可以知道，再一次利用角錐棱鏡的全角度反射而再一次增加抽運(yùn)光斑的沖程數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)翻倍式的抽運(yùn)吸收，只是最后光斑其會(huì)結(jié)束分布在的位置。通過(guò)圖6a中的結(jié)構(gòu)，其實(shí)可以延伸出很多不同結(jié)構(gòu)的抽運(yùn)的結(jié)構(gòu)，圖6c所示為小體積、簡(jiǎn)單分布和高效率的40沖程分布結(jié)構(gòu)光斑圖，其中轉(zhuǎn)折的棱鏡不只可以選擇角錐棱鏡，也可以是具有光學(xué)補(bǔ)償?shù)?0°折返棱鏡。通過(guò)類(lèi)似的思想就可以來(lái)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)更高吸收沖程數(shù)的抽運(yùn)結(jié)構(gòu)。

Fig.6 a—multipass schemes b—80 passes draw of distributed pumping light c—40 passes draw of distributed pumping light

4 不同抽運(yùn)沖程的吸收效率

隨著抽運(yùn)沖程數(shù)N的增加，抽運(yùn)結(jié)構(gòu)的失調(diào)靈敏度和所需要的加工的精度也是必須要考慮的。例如，所成型的柱面棱鏡對(duì)可能不是絕對(duì)的正交，或者柱面棱鏡的界面不能夠正交于對(duì)稱軸，而這些失調(diào)都將會(huì)引起在薄片中心光斑重疊的偏差。因此，選擇具有逆向光束的抽運(yùn)傳播的結(jié)構(gòu)則可以得到很大的補(bǔ)償,例如本文中所設(shè)計(jì)的36沖程的結(jié)構(gòu)。但是，抽運(yùn)吸收效率則是更需要考慮的，因?yàn)殡S著抽運(yùn)沖程數(shù)的不斷增加，光學(xué)抽運(yùn)吸收效率的增量其實(shí)也在不斷地放緩，所以有必要來(lái)對(duì)抽運(yùn)效率效率進(jìn)行模擬和計(jì)算，從而來(lái)選擇最佳的抽運(yùn)沖程數(shù)。

以薄片激光器Yb∶YAG晶體為例，晶體的吸收系效率是由晶體的特性(厚度、大小、摻雜濃度、吸收系數(shù))所決定的。而本文中所計(jì)算用的Yb∶YAG晶體結(jié)構(gòu)Yb摻雜原子數(shù)分?jǐn)?shù)為0.1、厚度0.3mm；通過(guò)分光光度計(jì)所測(cè)量計(jì)算的吸收系數(shù)為9.75cm-1[17]。利用比爾吸收公式和不同吸收沖程結(jié)構(gòu)的推導(dǎo)公式可以計(jì)算不同吸收沖程的吸收效率為：

(1)

式中，R為器件反射率，R1,R2,R3分別為非球面、柱面棱鏡和晶體后表面的反射率；P為抽運(yùn)功率；P1,P2,…為不同沖程下的吸收功率；P1′，P2′為第1、2次吸收后剩余的抽運(yùn)功率；α為吸收系數(shù)；θ為不同的入射角；L為薄片摻雜厚度。

Fig.7 a—3-D drawing of 24 passes pumping scheme in efficiency b—different efficiency versus different pump passes

為了方便模擬計(jì)算，則認(rèn)定非球面、柱面棱鏡和晶體后表面的反射率都為99.5%。圖7a為24沖程抽運(yùn)吸收結(jié)構(gòu)3-D圖，從圖中可以看到:不同的角度和不同的厚度都會(huì)引起吸收效率的改變，因此本文中所計(jì)算的不同結(jié)構(gòu)的吸收效率都是以20°入射、厚度為300μm來(lái)進(jìn)行的。如圖7b顯示24沖程的吸收效率為95.1%(不考慮晶面的散射損 耗和晶體的量子虧損)；36沖程的吸收效率為98.7%，從36沖程以后吸收效率的斜率增加量趨于平緩。這也解釋了為什么在本文中沒(méi)有進(jìn)一步設(shè)計(jì)趨于100沖程以上的抽運(yùn)結(jié)構(gòu)。通過(guò)比較，在中高端高能薄片激光器抽運(yùn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，36沖程的抽運(yùn)設(shè)計(jì)則具有更高的性價(jià)比。

5 結(jié) 論

介紹了遠(yuǎn)心成像抽運(yùn)結(jié)構(gòu)、離軸拋物面抽運(yùn)結(jié)構(gòu)和德國(guó)商用抽運(yùn)模塊的優(yōu)點(diǎn)和異同，通過(guò)比較設(shè)計(jì)了12沖程、24沖程和36沖程補(bǔ)償式薄片激光器的抽運(yùn)結(jié)構(gòu)，利用現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將離軸抽運(yùn)和對(duì)稱分布抽運(yùn)結(jié)合起來(lái)，提出并設(shè)計(jì)了更高沖程的抽運(yùn)結(jié)構(gòu)，并通過(guò)轉(zhuǎn)折不同的角度獲得了較高的非球面空間占空比。最后通過(guò)比爾吸收公式近似計(jì)算了不同抽運(yùn)沖程下的吸收效率，計(jì)算結(jié)果表明,36沖程的抽運(yùn)結(jié)構(gòu)具有高的性價(jià)比。

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