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|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|,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/____________L___________Iexp(-qjp一⑷2祐O,L2[\-旳(rz)+(fJOx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.定义重叠效率因子"=2，它决定了泵浦光与振荡定义平均泵浦光斑半径®=-3；（z）d:'，若用码代替①p），则丿和八1-幺（）J的表k式分别简化为=___________4__________=22祐（氷c（2~p+©：）''|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）•1.801.621.441.261.080.900.720.8-—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----------------------------------------------------------■0.8-1L60.540.360.18o.oo+--------1--------1--------1--------1--------H0.410.731.051.371・682,00输入功率/W图1近阈值情况下输出功率代“随输入功...