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1、侧面泵浦圆盘光纤激光器的设计第4O卷第1期2009年1月太原理工大学JOURNAL0FTAIYUANUNIVERSITYOFTECHNOL0GYVo1.40No.1Jan.2009文章编号:1007—9432(2009)01—0085—03侧面泵浦圆盘光纤激光器的设计李孟春,张强(1.太原理工大学理学院,山西太原030024;2.中国科学院电工研究所,北京100080)摘要:利用光线追迹法模拟了圆盘光纤激光器内部光线的传输情况,并分析了影响圆盘激光器泵浦效率的各种结构参数.在泵浦光功率较低时倾向于
2、无填充物质的方案,此时既能保证高的吸收系数,又不会因散热而破坏光纤材质.在强泵浦情况下,为避免泵浦光回波损伤激光二极管或激光二极管阵列,泵浦光入射点与距离其最近的光纤截面圆心的距离在允许的范围内取值尽可能大一些.关键词:圆盘光纤激光器;理论模拟;侧面泵浦;光线追迹法中图分类号:TN242文献标识码:A目前,大多数光纤激光器都是选择激光二极管(LD)或激光二极管阵列(LDA)作为泵浦源的[1],该泵浦方式必须附加光学耦合系统,器件较多,耦合困难,效率低下.日本的Ueda于1994年首先提出了盘状光纤
3、激光器的概念,整个激光器的耦合系统由平板波导和光纤盘组成.图1是盘状光纤激光器的结构示意图,一个无外包层和保护层的光纤盘成一个圆盘,放置在两个圆形的平板之间.泵浦光从平板边缘缝隙图1盘状光纤激光器结构图入射到平板波导结构中,两平行平板的内表面镀有对泵浦光的高反射膜,泵浦光受波导结构的限制在其中经过多次反射后穿过光纤被纤芯吸收.这种结构无需附加耦合透镜系统,具有结构紧凑,耦合效率高的优点.对盘状光纤激光器的报道多来自与Ken—ichiUeda相关的课题组,最高的圆盘光纤激光器输出功率记录也是由Ued
4、a报道的E3-53,他利用三个圆盘结构最终实现了1kW的功率输出.所有的报道都说明圆盘状结构的耦合方式是切实可行的.1模拟与分析本文利用光线追迹法模拟了圆盘光纤激光器内部光线的传输情况,在此基础上分析了影响圆盘光纤激光器泵浦效率的各个结构参数.图2是圆盘光纤激光器的截面结构图.对于光纤侧面垂直入射的的泵浦光来说,理想的光纤截面为圆形.从图2中可获得整个系统的基本结构参数:光纤纤芯直径r,包层直径r,纤芯和包层对泵浦光的折射率咒.和,填充在圆盘内部光纤缝隙中的物质折射率.,光纤盘绕的圈数k,泵浦光入
5、射点与距离其最近的光纤截面圆心的距离z.在模拟过程中,令一l_450,一1.452.图2盘状光纤激光器截面图1.1单一入射光线不同入射角度时泵浦光的分布和吸收首先,模拟了单一光线的传输情况.对于不同入射角度的泵浦光,图3给出了其光线分布的具体图形.从图3中可以看出,在愚一6,z一500"in,2—1而其它条件不变的情况下,随着入射角度的增大,泵浦光分布趋于散乱.接下来分别考察了光纤盘绕的圈数尼以及泵浦光入射点与距离其最近的光纤截面圆心的距离z不同时(是一6,Z一500/zm和忌一12,l一700m
6、),泵浦光的吸收系数与入射角度的关系,如图4所示.收稿日期:2007—0905作者简介:李孟春(1963一),女,山西临猗人,硕士,副教授,主要从事光电技术研究,(Te1)1393420486986太原理工大学第40卷r~=30m,,=400m,k:6,l=500口珊,0=1.4,rh=l图3横截面内不同入射角度光线分布示意图入射角度/tad4-ak-=6,l=500lJm,2=1入射角度/tad4-bk=-121=700Umn2=l图4光纤对应不同入射角度泵浦光的吸收效率曲线图从图4中可以看出,
7、k一6,Z一500m和k==:12,z一700m时,光纤对泵浦光的吸收系数都是随着泵浦光入射角度的增大而减小的.将k和z分别取一系列不同的值进行模拟,也得到相同的结果.1.2多条入射光线不同Z值以及不同填充介质时泵浦光的分布和吸收首先,使圆盘内部光纤缝隙中的填充介质(一1)和光线入射角度(一1.39)相同,采用16条光线来模拟泵浦光的空间分布.对于不同z值,图5给出了泵浦光在横截面内的分布情况.从图5中可以看出,在平板间填充介质和入射角度不变的情况下,并非是z值越小越好,而是存在一个最佳的z值,当
8、z一830m左右时泵浦光的吸收效果最好.图5不同￡值时泵浦光吸收效率曲线图(一12,2—1)然后,令泵浦光入射点与距离其最近的光纤截面圆心的距离l(1=830肚m)和光线入射角度(0-----1.39)不变,仍然采用16条光线来模拟泵浦光的空间分布.对于平板波导内不同填充介质,图6为泵浦光吸收效率随平板波导间填充介质的不同而改变的曲线图.图6泵浦光吸收效率随2值变化曲线图(一12,Z一830am)从图6中可以看出,在其他参数不变的情况下,随着填充介质折射率的不同,泵浦光的分布仍有较
