[發明專利]一種激光器腔面的損傷閾值計算方法

有效

• 申請號: 202010117807.9
• 申請日: 2020-02-25
• 公開（公告）號: CN111353224B
• 公開（公告）日: 2023-06-16
• 發明（設計）人: 賈華宇;華紅洋;李燈熬
• 申請（專利權）人: 太原理工大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F111/10;G06F119/04
• 代理公司: 太原晉科知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 14110
• 代理人: 任林芳

本發明屬于半導體激光器領域；目前關于激光器缺陷對其激光性能的影響研究主要集中在激光器損傷發生后對其頻譜特性分析，并未涉及從物理學的角度微觀分析激光器腔面材料內部自由電子密度的變化，本發明提供一種激光器腔面的損傷閾值計算方法，入射激光輻照下腔膜產生光致電離、碰撞電離和自由電子衰減，通過計算激光器腔面的臨界自由電子密度分析計算激光器腔面的損傷閾值，理論分析腔面材料非線性激發時對自由電子的影響規律，建立了腔面激光誘導損傷閾值計算的理論模型。

技術領域

本發明屬于半導體激光器領域，更具體的說，涉及一種激光器腔面的損傷閾值計算方法。

背景技術

近年來，以光通信器件、光傳輸系統等代表的光通信技術取得了快速的發展。激光器作為光通信的光源，是整個光通信領域的核心。如何控制激光器芯片產生缺陷以及當發現芯片出現損傷缺陷時如何快速而有效的處理，是保證激光器芯片安全有效運行的關鍵。

為了提高激光器腔面的損傷閾值，在腔面都會鍍上一層膜，這層膜的作用就是減少表面反射引起的額外能量損失，但是在長時間激光輻照下或者強激光作用下，腔面膜可以在短時間內遭到破壞，導致腔面出現損傷進而使半導體激光器無法正常工作，同時激光器腔面的損傷閾值也是制約半導體激光器工作可靠性和穩定性的因素之一。為了使激光器能夠長時間高效穩定的工作，準確檢測或者計算激光器腔面的損傷閾值就顯得尤為重要。如何從微觀的角度即通過激光器腔面自由電子密度的變化計算激光輻照引起的腔面損傷缺陷。在激光器中產生的缺陷會對入射激光產生調制作用，從而顯著的降低激光器芯片的光學性能(如導致對入射激光能量的吸收增強、激光能量的局部聚集等)，這些都會嚴重限制激光的傳輸和激光器的使用壽命。

目前關于激光器缺陷對其激光性能的影響研究主要集中在激光器損傷發生后對其頻譜特性分析，并未涉及缺陷對自由電子密度的影響。

發明內容

針對現有技術存在的不足，本發明的目的在于提供一種激光器腔面的損傷閾值計算方法，本發明涉及損傷缺陷對激光損傷過程中材料光致電離、碰撞電離的影響，腔面缺陷導致局部電場和磁場的劇烈變化，在材料表面形成等離子體波，自由電子不斷聚集的過程中，等離子體波與入射激光發生等離子體諧振效應，使腔面材料短時間內產生缺陷，將等離子體諧振效應的產生作為損傷缺陷產生的開始。

為實現上述目的，本發明提供了如下技術方案：

一種激光器腔面的損傷閾值計算方法，包括以下步驟：

步驟1.在強電場低頻率激光輻照的狀態下產生光致電離，計算基于Keldysh理論的光致電離率W_PI(I(t))，計算公式如下：

其中，為有效電離勢：為約化普朗克常量，為的整數部分，I(t)是t時刻輻照在激光器腔面的激光強度，K和E為第一類完全橢圓積分和第二類完全橢圓積分，Δ為禁帶(間隙)寬度，ω為入射激光頻率，γ為絕熱參數，其中，m為有效電子質量(電子/空穴約化質量)，e為電子元電荷，F為激光場強度，Q函數的表達式為：

其中，

步驟2.激光器腔面被激光激發后產生等離子體，獲得的能量超過腔面的禁帶寬度時觸發碰撞電離，計算碰撞電離率W_II(I(t),n_e(t))，計算公式如下：

其中，σ是光子吸收截面，τ_c為電子碰撞時間，c為真空中光速，ε₀為光導率，n₀為折射率，n_e(t)是被激發的自由電子密度，t為激光輻照時間。

步驟3.受激發的導帶自由電子通過散射和自陷衰減返回至較低能帶，針對自由電子重新組合導致自由電子減少的計算公式為：