一种泵浦增益环形分布的半导体侧泵模块设计方法

1.本发明属于激光技术领域，涉及一种半导体侧泵模块设计方法， 具体涉及一种半导体侧泵模块获得泵浦增益环形分布的设计方法。


背景技术：

2.半导体激光侧面泵浦是固态激光器中一种广泛使用的泵浦方案， 通常用于产生中高功率的激光输出以及提供激光放大。使用半导体侧 泵模块的激光器长期以来一直应用于各种科研和工业领域中，例如激 光诊断成像、激光点火、太赫兹波的生成、激光检测、材料加工、生 物医疗等。半导体侧泵模块不仅可作为增益模块用于搭建激光振荡 级，还可作为激光放大级用于种子激光的功率放大。传统的半导体侧 泵模块，泵浦增益通常是中间强、四周弱近似高斯型的分布模式，这 虽然通常被人们看作是较为理想的增益分布模式，但近年已有研究结 果表明其在实际应用中会导致较为严重的热透镜聚焦现象，特别是作 为激光放大级在高功率操作下这一现象会更加明显。


技术实现要素：

3.为了解决传统半导体侧泵模块作为激光放大级时，由于泵浦增益 近高斯分布而导致较为严重的热透镜聚焦现象，本发明提供了一种泵 浦增益环形分布的半导体侧泵模块设计方法。该设计方法可确定半导 体侧泵模块的泵浦结构，明确泵浦光束在侧泵模块中的传输特性，确 定设计流程，并最终基于该流程仿真计算可获得泵浦增益环形分布的 侧泵模块参数，利用该参数可设计并研制泵浦增益环形分布的半导体 侧泵模块，解决目前侧泵模块热透镜聚焦效应严重的问题。
4.本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
5.一种泵浦增益环形分布的半导体侧泵模块设计方法，包括如下步 骤：
6.步骤一、确定半导体侧泵模块的泵浦结构；
7.步骤二、确定泵浦光束的传输特性，所述泵浦光束的传输特性包 括激光棒外的传输特性和激光棒内的传输特性；
8.步骤三、确定影响泵浦增益分布特性的侧泵模块参数，所述影响 泵浦增益分布特性的侧泵模块参数主要包括：激光棒直径及掺杂浓 度、激光二极管巴条和激光棒之间的距离、总泵浦功率、泵浦方向数、 激光棒折射率、冷却液折射率、石英管内径和壁厚、有效泵浦长度、 激光棒侧表面引起的泵浦光散射角；
9.步骤四、确定设计流程，具体包括如下步骤：
10.a)输入步骤三确定的侧泵模块参数；
11.b)根据光的折射定律获得激光棒截面边界的入射泵浦光矢量；
12.c)根据泵浦光非饱和吸收和光线追迹算法获得激光棒内的泵浦 光矢量；
13.d)激光棒进行有限元划分，更新激光棒内每个有限元对应的吸 收泵浦功率；
14.e)若吸收》99％，则进入数据统合，否则近轴近似处理聚光腔反 射过程，循环进行
b)、c)、d)过程，直至吸收》99％；
15.f)给出增益分布计算结果；
16.g)改变侧泵模块参数，获得半导体侧泵模块泵浦增益环形分布；
17.步骤五、仿真计算并获得泵浦增益环形分布的半导体侧泵模块参 数。
18.相比于现有技术，本发明具有如下优点：
19.本发明提出了一种半导体侧泵模块泵浦增益环形分布的设计方 法，用于研制具有增益环形分布的侧泵模块。当入射的强度高斯分布 的种子光通过增益环形分布的侧泵模块放大级时，入射种子光的光束 中心强度不会被放大至很高，这样可以避免高泵浦功率下中心光束出 现热聚焦，也使得经过“环形”增益后，输出光束可由高斯分布变为 高阶平缓的高斯分布或平顶分布，避免输出光束中心出现强度强点， 打坏光学元件。
附图说明
20.图1为侧泵模块结构及泵浦光束传输路径示意图(以五向泵浦结 构为例)；
21.图2为设计流程图；
22.图3为半导体侧泵模块的环形增益设计结果。
具体实施方式
23.下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限 于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发 明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
24.本发明提供了一种泵浦增益环形分布的半导体侧泵模块设计方 法，如图1所示，该方法包括如下步骤：
25.步骤一、确定半导体侧泵模块的泵浦结构：
26.如图1所示，所述泵浦结构为三向、五向或七向泵浦结构，包括 激光二极管巴条1、聚光腔2、石英管3、激光棒4和冷却液5，其中：
27.每一向上沿激光棒4长度方向摆放数个激光二极管巴条1(diode bar)，摆放数量根据激光棒4长度而定；
28.各向激光二极管巴条1等角度排布；
29.激光棒4置于三向、五向或七向泵浦结构的中央，外面套一个透 明的石英管3；
30.石英管3中通有流动的冷却液5，用于给激光棒4散热，同时流 向外部冷却激光二极管巴条1；
31.聚光腔2置于激光二极管巴条1和石英管3之间，聚光腔2为一 金属圆筒，沿激光二极管巴条1发光面方向加工有宽度1～2mm、长 度与二极管发光长度匹配的通光孔，聚光腔2内表面涂有高反射率材 料或镀高反射膜，聚光腔2将激光二极管发出的泵浦光反射到激光棒 4上。
32.步骤二、确定泵浦光束的传输特性：
33.所述泵浦光束的传输特性包括激光棒外的传输特性和激光棒内 的传输特性，主要分三个阶段考虑，具体为：
34.第一阶段：激光二极管巴条1发射的泵浦光线穿过石英管3、冷 却液5后到达激光
棒4侧表面；
35.第二阶段：泵浦光线折射进入激光棒4，在激光棒4内传输，同 时被激光棒4吸收；
36.第三阶段：未被完全吸收的泵浦光折射出激光棒4，继续传输经 过冷却液5、穿过石英管3，碰到聚光腔2后反射，反射光线再次穿 过石英管3和冷却液5后到达激光棒4侧表面。
37.上述过程中，若泵浦光未被完全吸收(吸收＞99％)，则重复进 行第二阶段和第三阶段。在第一阶段和第三阶段，对光线的处理基于 光的折射定律，主要考虑泵浦光线在介质中的传播和在各个界面的透 射及反射；在第二阶段，对泵浦光的处理主要考虑非饱和状态下的激 光棒吸收。为实现对吸收过程的模拟，将激光棒进行有限元划分，获 得每个有限元的吸收特性。
38.步骤三、确定影响泵浦增益分布特性的侧泵模块参数：
39.所述影响泵浦增益分布特性的侧泵模块参数主要包括：激光棒直 径及掺杂浓度、激光二极管巴条和激光棒之间的距离、总泵浦功率、 泵浦方向数、激光棒折射率、冷却液折射率、石英管内径和壁厚、有 效泵浦长度、激光棒侧表面引起的泵浦光散射角。
40.步骤四、确定设计流程，如图2所示，具体包括如下步骤：
41.a)输入步骤三确定的侧泵模块参数；
42.b)根据光的折射定律获得激光棒截面边界的入射泵浦光矢量， 具体步骤如下如下：
43.在激光棒截面方向上，每一个激光二极管巴条被等效为一个点光 源，其发光的发散角范围约40
°
，发光强度呈高斯分布。该点光源发 出的某一方向的光矢量为e1，该光线穿过石英管、冷却液和激光棒侧 表面时，在界面处都依据光的折射定律，并由此获得进入激光棒的入 射泵浦光矢量e2，对于激光棒截面内任意一个有限元，其接收到的泵 浦光功率pi(i,j)为：
44.pi(i,j)＝∑(di(θ)i(x)ae)；
45.其中，(i,j)为任意选取的有限元，di(θ)为光功率分布函数，由 激光棒侧表面(通常为磨砂面)引起的散射决定，且根据侧表面粗糙 度不同而变化；θ为选取的有限元点与泵浦光线中心强度方向的夹角； i(x)为泵浦光入射到激光棒截面边界点处的光强度，ae为激光棒截面 上每个有限元的吸收率。
46.c)根据泵浦光非饱和吸收和光线追迹算法获得激光棒内的泵浦 光矢量，具体步骤如下：
47.泵浦光在晶体内的吸收程度可以描述为：
48.ad＝1-exp(-n
dop
σ
abs
l)；
49.其中，ad是激光棒对泵浦光的吸收率，n
dop
和σ
abs
分别是激光棒 的掺杂浓度和泵浦吸收截面，l为泵浦光在激光棒内的通光长度。
50.在激光棒进行有限元划分后，激光棒截面上每个有限元的吸收率 ae可描述为：
[0051][0052]
其中，ld是激光棒的直径，nd是等同于激光棒直径的长度中包含 的有限元(正方形)边长的数量；
[0053]
d)激光棒进行有限元划分，更新激光棒内每个有限元对应的吸 收泵浦功率，其中，有限元划分方法的具体步骤如下：
[0054]
利用有限元分析方法，对激光棒的结构离散化为有限数量的小单 元，再基于每个小单元建立吸收方程获得其吸收泵浦功率，然后再将 所有划分的小单位整合起来，由于划分的小单元越小，计算量越大， 因此，在不影响计算精度的前提下，本方法中可选择划分的小单元大 小为：δx＝δy＝0.3mm；
[0055]
e)若吸收》99％，则进入数据统合，否则近轴近似处理聚光腔反 射过程，循环进行b)、c)、d)过程，直至吸收》99％；
[0056]
f)给出增益分布计算结果；
[0057]
g)改变侧泵模块参数，获得半导体侧泵模块泵浦增益环形分布。
[0058]
步骤五、仿真计算并获得泵浦增益环形分布的半导体侧泵模块参 数，设计结果如图3所示，侧泵模块采用五向或七向泵浦，激光棒为 nd:yag晶体，直径3～5mm，掺杂浓度1.1at.％，且侧表面打磨处理； 激光二极管巴条与nd:yag棒中心的距离为13mm；石英管内径为 10～12mm，管壁厚1mm；泵浦长度为50mm；泵浦功率2000w。