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太阳光泵浦固体激光阈值的理论分析

张军斌 黄志云

张军斌, 黄志云. 太阳光泵浦固体激光阈值的理论分析[J]. 中国光学(中英文), 2016, 9(2): 241-248. doi: 10.3788/CO.20160902.0241
引用本文: 张军斌, 黄志云. 太阳光泵浦固体激光阈值的理论分析[J]. 中国光学(中英文), 2016, 9(2): 241-248. doi: 10.3788/CO.20160902.0241
ZHANG Jun-bin, HUANG Zhi-yun. Theoretical analysis on threshold of solar pumped solid state lasers[J]. Chinese Optics, 2016, 9(2): 241-248. doi: 10.3788/CO.20160902.0241
Citation: ZHANG Jun-bin, HUANG Zhi-yun. Theoretical analysis on threshold of solar pumped solid state lasers[J]. Chinese Optics, 2016, 9(2): 241-248. doi: 10.3788/CO.20160902.0241

太阳光泵浦固体激光阈值的理论分析

doi: 10.3788/CO.20160902.0241
详细信息
    通讯作者:

    张军斌(1988-),男,福建三明人,硕士研究生,主要从事激光物理与激光技术方面的研究。E-mail: jimbinzhang@gmail.com

    黄志云(1977-),男,福建闽清人,博士,教授,2000年于南京大学获得学士学位,2005年于中国科学院福建物质结构研究所获得博士学位,2005~2006年于法国巴黎综合理工大学(EcolePolytechnique)LULI实验室从事博士后研究,主要从事激光物理与固体光电子方面的研究。E-mail: zhiyunhuang@fjnu.edu.cn

  • 中图分类号: TN224

Theoretical analysis on threshold of solar pumped solid state lasers

  • 摘要: 为了选择适合太阳光泵浦的激光材料,本文从四能级速率方程出发,综合考虑了太阳辐射带状光谱特性和激光材料对泵浦光吸收能力,建立了太阳光泵浦固体激光理论模型。利用该模型推导得到了单束光侧面泵浦和椭球腔侧面泵浦方式下的泵浦阈值表达式,并结合Nd3+:YAG、Nd3+:glass、Nd3+:Cr3+:GSGG (Nd3+:Cr3+:Gd3Sc2Ga3O12)、Cr3+:BeAl2O4和Cr3+:Nd3+:YAG等激光材料的光谱参数,计算了这些材料的泵浦阈值光强。结果表明:在单束光侧面泵浦和椭球腔侧面泵浦方式下,Nd3+:YAG的泵浦阈值光强分别为448个太阳常数和224个太阳常数,是比较适合用太阳光泵浦的激光材料。由于椭球腔的特殊结构,采用椭球腔侧面泵浦激光介质,阈值光强比较低。分析了泵浦阈值光强与材料直径的关系。该模型可用于从现有的激光材料中筛选出在太阳光泵浦下最易输出激光的工作物质。

     

  • 图 1  大气层外太阳光谱图

    Figure 1.  Solar spectrum at upper atmosphere

    图 2  单束光侧面泵浦示意图

    Figure 2.  Schematic of side-pumped by a single beam

    图 3  椭球腔侧面泵浦示意图

    Figure 3.  Schematic diagram of side-pumped inside a ellipsoidal cavity

    图 4  不同材料的阈值光强

    Figure 4.  Pump intensity thresholds for different materials

    图 5  不同直径Nd3+∶YAG的阈值光强

    Figure 5.  Pump intensity thresholds versus different Nd3+∶YAG rod diameters

    表  1  几种常用激光材料的光谱参数

    Table  1.   Spectral parameters of some laser materials

    Active medium Nd3+∶YAG Cr3+∶BeAl2O4 Nd3+∶glass Nd3+∶Cr3+∶GSGG(Nd3+∶Cr3+∶Gd3Sc2Ga3O12) Cr3+∶Nd3+∶YAG
    DopingDensity/cm3 1.38×10201 at.%[ 10] 2.9×10190.1 at.%[ 12] 2.85×10203 at.%[ 18] Nd3+=2×1020Cr3+=1×1020 [10] Cr3+=1.39×10190.1 at.%Nd3+=1.39×10201 at.%[ 19]
    Absorptionband/nm 515~545565~595735~765795~825855~885[ 20] 360~460500~600[ 21] 515~545565~595735~765795~825855~885[ 18] 400~545565~700735~765795~825855~885[ 10] Nd3+:510~540560~630730~760790~825Cr3+:450~490510~540865~890[ 19]
    Absorption cross section/cm2 0.56×10-20(530~550)0.84×10-20(570~600)1.41×10-20(750~775)1.69×10-20(800~820)[ 14] 1.04×10-19(360~460)1.9×10-19(500~600)[ 21] 1.33×10-20 0.393 75×10-20(400~545)0.355×10-20(565~700)0.125×10-20(735~765)0.11×10-20(795~825)0.078×10-20(855~885)[ 22] 2.518×10-19
    Fluorescence Lifetime/μs 230[ 12] 260[ 12] 350[ 23] Nd3+:280Cr3+:120 [ 24] 600[ 13]
    Emission cross section/cm2 6.5×10-19@1 064[ 13] 0.7×10-20@760[ 25] 3×10-20@1 064[ 26] 3.2×10-19@1 060[ 27] 2.35×10-19@1 064[ 28]
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出版历程
  • 收稿日期:  2015-11-03
  • 修回日期:  2015-12-21
  • 刊出日期:  2016-02-25

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