一种半导体激光器阈值增益的求解方法

本发明涉及半导体激光器阈值增益求解，特别涉及一种半导体激光器阈值增益的求解方法。

背景技术：

1、半导体激光器（semiconductor laser）广泛应用于通信、医疗、测量等领域，其性能的关键指标之一是阈值增益。阈值增益是激光器在达到激发状态时所需的最小增益水平，直接影响激光器的功率输出、效率及稳定性。准确测量和控制半导体激光器的阈值增益对提升激光器性能和优化设计至关重要。

2、传统上，半导体激光器阈值增益的测量方法主要包括光谱测量法、电流-光输出特性曲线法和脉冲激发法。这些方法虽然能够提供有关激光器阈值增益的信息，但通常存在测量时间长、精度不足或对激光器特性变化响应较慢等问题。例如，光谱测量法往往需要复杂的光谱仪器和较长的测量时间，而电流-光输出特性曲线法可能由于系统响应时间的限制，无法快速准确地反映阈值增益的变化。

3、近年来，传输矩阵理论作为一种有效的光学分析工具，已被应用于光学器件的设计与优化中。该理论通过描述光在多层介质中的传播行为，可以详细分析和预测光学器件的性能。然而，将传输矩阵理论应用于半导体激光器阈值增益的快速扫描仍面临技术挑战。当前的应用研究多集中于静态状态的分析，缺乏针对激光器动态特性和实时扫描的有效方法。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供了一种半导体激光器阈值增益的求解方法，不仅提高了阈值增益测量的速度和精度，而且能够实时响应激光器特性的变化，为半导体激光器的设计与优化提供了更加高效和可靠的工具。

2、为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

3、一种半导体激光器阈值增益的求解方法，包括如下步骤：

4、步骤1，由已知半导体激光器的物理结构得到其结构相关参数，根据相关结构参数构建激光器光场的传输矩阵；通过传输矩阵计算传输系数，得到传输系数与净场增益和波长的函数关系；

5、步骤2，计算基于fp腔激光器的纵模模式间隔，并由纵模模式间隔确定fp腔激光器的多个纵模模式；

6、步骤3，构建包含所述函数关系的循环体，所述循环体包括外循环和内循环，外循环用于模式跳转，内循环通过更新波长和净场增益，执行传输矩阵模型求得传输系数；预设内循环结束评判值和外循环波长范围；

7、步骤4，使用二分法在fp腔激光器的一个纵模模式内执行循环体的扫描过程，在扫描过程中，预设当前最大传输系数绝对值的平方；通过比较由当前波长及净场增益求得的最大传输系数绝对值的平方与的大小，决定更新波长扫描步长和值；当值大于预设的内循环结束评判值时，内循环结束，提取此时的净场增益值及其对应波长即为阈值增益与激射波长；

8、步骤5，执行外循环进行模式跳转，在新的模式下执行内循环，重复步骤4，提取新模式下的阈值增益与激射波长；

9、步骤6，重复步骤5，当波长值大于外循环设定波长范围时，结束外循环，输出各个模式下的阈值增益与激射波长。

10、上述方案中，步骤1中，所述结构相关参数包括中心波长、波长区间、净场增益区间、耦合系数、有效折射率值、激光器腔长、左端面反射率、右端面反射率、左端面相位、右端面相位及群折射率。

11、上述方案中，步骤1中，传输系数表示为：

12、；

13、式中，为传输矩阵的第四项。

14、上述方案中，步骤2中，基于fp腔激光器的纵模模式间隔的计算公式如下：

15、；

16、式中，为波长大小，为激光器腔内群折射率，为激光器腔长。

17、上述方案中，步骤3中，预设的内循环结束评判值为，记为，预设的外循环波长范围为，为中心波长，为基于fp腔激光器的纵模模式间隔。

18、上述方案中，步骤4中，内循环中，波长更新设定为：

19、；

20、其中，初始扫描步长=，为基于fp腔激光器的纵模模式间隔；

21、净场增益区间为：

22、。

23、上述方案中，步骤4中，内循环开始前，预设当前最大传输系数绝对值的平方为一初始量值；选取在净场增益区间内最大传输系数的绝对值平方作为比较值，记为，并与进行比较，记录其对应波长及净场增益值，并决定更新扫描步长及值，其中运用二分法对值进行更新：如果，则，不更新；如果，则，；当时，内循环结束，输出其对应波长和净场增益值。

24、上述方案中，步骤5中，当满足内循环执行结束后，执行外循环时，更新波长起点设置为已求对应波长加上fp腔激光器的纵模模式间隔，即：

25、；

26、式中，为基于fp腔激光器的纵模模式间隔。

27、上述方案中，步骤4中，设定每次外循环中内循环最多循环100次，内循环次数记为cc，如果在100次之间没有找到阈值增益与激射波长，则波长跳转进行下一模式内搜索。

28、通过上述技术方案，本发明提供的一种半导体激光器阈值增益的求解方法具有如下有益效果：

29、通过使用二分法对波长更新步长进行更新，使得波长在一个纵模模式内快速收敛在激射波长处；采用模式理论进行模式跳转寻找，通过预设两个激射波长之间距离为一个纵模模式的大小，对寻找一个激射波长之后的下一个模式内的激射波长进行快速定位，使得数值求解速率有大幅度提升，这种方法不仅提高了阈值增益测量的速度和精度，而且能够实时响应激光器特性的变化，为半导体激光器的设计与优化提供了更加高效和可靠的工具。

技术特征：

1.一种半导体激光器阈值增益的求解方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种半导体激光器阈值增益的求解方法，其特征在于，步骤1中，所述结构相关参数包括中心波长、波长区间、净场增益区间、耦合系数、有效折射率值、激光器腔长、左端面反射率、右端面反射率、左端面相位、右端面相位及群折射率。

3.根据权利要求1所述的一种半导体激光器阈值增益的求解方法，其特征在于，步骤1中，传输系数表示为：

4.根据权利要求1所述的一种半导体激光器阈值增益的求解方法，其特征在于，步骤2中，基于fp腔激光器的纵模模式间隔的计算公式如下：

5.根据权利要求1所述的一种半导体激光器阈值增益的求解方法，其特征在于，步骤3中，预设的内循环结束评判值为，记为，预设的外循环波长范围为，为中心波长，为基于fp腔激光器的纵模模式间隔。

6.根据权利要求1所述的一种半导体激光器阈值增益的求解方法，其特征在于，步骤4中，内循环中，波长更新设定为：

7.根据权利要求1所述的一种半导体激光器阈值增益的求解方法，其特征在于，步骤4中，内循环开始前，预设当前最大传输系数绝对值的平方为一初始量值；选取在净场增益区间内最大传输系数的绝对值平方作为比较值，记为，并与进行比较，记录其对应波长及净场增益值，并决定更新扫描步长及值，其中运用二分法对值进行更新：如果，则，不更新；如果，则，；当时，内循环结束，输出其对应波长和净场增益值。

8.根据权利要求1所述的一种半导体激光器阈值增益的求解方法，其特征在于，步骤5中，当满足内循环执行结束后，执行外循环时，更新波长起点设置为已求对应波长加上fp腔激光器的纵模模式间隔，即：

9.根据权利要求1所述的一种半导体激光器阈值增益的求解方法，其特征在于，步骤4中，设定每次外循环中内循环最多循环100次，内循环次数记为cc，如果在100次之间没有找到阈值增益与激射波长，则波长跳转进行下一模式内搜索。

技术总结
本发明半导体激光器阈值增益求解技术领域，公开了一种半导体激光器阈值增益的求解方法，包括如下步骤：根据激光器物理结构相关参数，通过传输矩阵计算传输系数；计算基于FP腔激光器的纵模模式间隔，确定多个纵模模式；构建循环体，使用二分法在FP腔激光器的一个纵模模式内执行循环体的扫描过程，内循环结束，提取阈值增益与激射波长；执行外循环，在新的模式下执行内循环；重复执行外循环，当波长值大于外循环设定波长范围时，结束外循环，输出各个模式下的阈值增益与激射波长。本发明所公开的方法不仅提高了阈值增益测量的速度和精度，而且能够实时响应激光器特性的变化，为半导体激光器的设计与优化提供了更加高效和可靠的工具。

技术研发人员：牛传宁,姚雅涛,高凤,赵佳
受保护的技术使用者：山东大学
技术研发日：
技术公布日：2024/10/10