LD端面泵浦激光增益介质热效应的理论研究(2)
经过了优尔十多年的长足发展，激光技术的应用日益普及，许多领域通过引进激光技术发展出众多新产品，使本领域的发展取得重大突破，这展现出激光强大的生命力和应用前景,吸引了越来越多的工作者投入激光研究工作，反过来，这又进一步促使激光技术的发展。
1.2 固体激光器及热效应
常见的固体激光器是以单晶或者多晶为基质并向其中掺入杂质离子[4]，近年来以激光陶瓷为基质的激光器也引起了广泛关注。激光光谱特性由掺杂的稀土离子决定，而工作物质的物理、化学及机械性能等性质则取决于基质材料的性质，故研究中对两者的选择要依据具体要求。在泵浦激光增益介质时，基质中的泵浦光与振荡光会相互匹配耦合，故激光器的输出必然受泵浦光以及振荡光空间分布的影响。因此实验中要获得最佳的输出特性，不仅要考虑泵浦光的光束质量，还要考虑模式匹配问题。全固态激光器的泵浦方式，可以分为端面泵浦和侧面泵浦两种方式。端面泵浦具有亮度高、光束质量好等优点，振荡光和泵浦光可以在腔内实现良好的模式匹配。采用端面泵浦方式时，工作介质的冷却结构简单且冷却温度对热透镜效应几乎无影响，效率也是侧面泵浦的2倍以上[5-6]，故本论文研究选择端面泵浦方式。激光器的发展的两大趋势，一是追求短脉冲；二是追求更高的输出功率。由于固体激光器中能量转换环节较多，使得激光器体积较大且转换效率较低，从而一度发展缓慢[7-8]。
影响固体激光器的整机效率的因素主要包括泵浦灯的发光效率、激光介质的热光特性及热机械特性、聚光腔的效率、谐振腔的结构损耗以及激光晶体的冷却条件等[9]。传统方式激光器通常采用高功率闪光灯为泵浦源，其泵浦效率常介于3 % - 6 %之间，固体激光器无功热损耗问题严重。主要因素在于：（1）泵浦光与工作物质匹配波段以外的能量，特别是红外和紫外波段的光能被机制吸收并转化为废热；（2）由于工作物质内部损耗而产生热量；（3）激光材料的泵浦带与激光上能级（即亚稳能级）之间存在能量差，多出的能量将以非辐射跃迁形式转移给基质材料，从而产生废热。无功热的存在使工作物质温度升高，激光介质内部产生热膨胀，从而使介质内部温度分布不均匀，并引起热应力。而温度分布不均匀以及热应力会导致基质折射率改变，此时各向同性的介质在工作中实际性质变为各向异性，从而引起热力双折射现象，产生由端面形变引起的热透镜效应[10]，并产生光程差等，热效应的存在还会改变谐振腔参数[11-13]，影响激光器的效率以及输出光束质量，且随着介质热负载增加，还可能导致激光介质脆裂，直接损坏器件。
近年来，随着激光介质生长水平和热管理技术的提高，激光功率输出水平得到大幅度提高，而限制功率输出进一步提高的因素之一就是无功热损耗产生的影响，即工作物质的热效应。总体来说，高功率固体激光器的发展历程，就是不断地与热做斗争的过程，因而研究热效应是是高功率激光器必须面对的一个课题。
1.3 论文的主要内容与结构安排
本文主要研究端面泵浦固体激光器情况下，两种不同热沉机制——即各向同性和各向异性的介质材料中的热效应情况进行分析。具体思路是通过对端面泵浦激光基质工作特点的研究分析，提出了三文热传导模型，在提出的热模型中考虑了泵浦光具有高斯分布[14-15],同时假设热负荷能量与泵浦光空间分布情况相同, 增益介质尺寸为 ，用铟箔包裹介质并将其放在温度为 的紫铜热沉循环水冷装置中，可以忽略激光介质纵向热能消耗假定通光面绝热，因而热量仅沿介质径向流动，通过热传导将介质内部温度带走，从而介质内部可保持相对稳定的温度梯度分布。过程中通过 Poisson 方程以及给定的边界条件，得到温度场的解析表达式，采用有限差分方法，对独立变量取离散函数值并利用MATLAB 软件编写合适程序，得到激光介质内部三文温度场分布曲线，并分析其热透镜效应。