[發(fā)明專利]軸向均勻泵浦復合聚光器設計方法

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• 申請日: 2020-10-26
• 公開（公告）號: CN112114421A
• 公開（公告）日: 2020-12-22
• 發(fā)明（設計）人: 蘆宇;張祥祥;高萬胥
• 申請（專利權）人: 天津職業(yè)技術師范大學（中國職業(yè)培訓指導教師進修中心）
• 主分類號: G02B19/00
• 分類號: G02B19/00;G02B27/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發(fā)明涉及一種軸向均勻泵浦復合聚光腔制作方法，屬于光學領域。該方法的實現過程為：基于一級聚光系統焦斑處光斑半高全寬及隨發(fā)散角變的輻射強度，在介質棒軸向設置N個等間距焦點，對光源N等分輻射通量成像對應焦點處形成軸向均勻泵浦。針對有效垂直輻射通量及像差兩個影響均勻度問題，采用輻射光線與棒法線夾角引入權重因子η矯正每點輻射通量，采用變化半高全寬函數調整焦點間距。增加球面反射腔提高二次以上泵浦輻射耦合效率問題，二次泵浦引起軸向不均勻，可通過修正一次泵浦通量分布解決。本發(fā)明解決了二級聚光系統同時獲得高耦合效率與均勻泵浦光分布問題，用于制作高集光效率與激光光束質量太陽能激光器二級聚光腔。

技術領域：

本發(fā)明屬于非成像光學聚光技術領域，特別涉及軸向均勻泵浦復合聚光器設計方法。

背景技術：

近期國內外研究結果中表明，通過增加非球面透鏡改進二級聚光系統從而增加端面有效泵浦功率密度，并采用混泵浦方式集光效率最大達到32.5W/m²，但很難持續(xù)提高。而采用側面泵浦方式可以使得光束質量M²1.2，但集光效率降低為7.9W/m²，前二級聚光系統無法同時提高這兩個參數。

為了解決該問題，本項目研究內容通過復合橢球附帶球面反射鏡二次聚光器，形成一次均勻泵浦及二次以上輻射不降低一次輻射均勻度，提高激光介質吸收特性，從而改善泵浦光與激光介質棒軸向均勻耦合問題，在不降低集光效率的基礎上大幅度提高激光輸出基模功率占總功率比重。

發(fā)明內容：

為達上述目的，本發(fā)明所才采取如下的技術方案：

S1：根據一級菲涅爾透鏡聚焦光斑尺寸及光強隨發(fā)散角變化參量，選定激光介質棒長度及第二焦點間距，推算第二焦點坐標位置；

S2：依據各個焦點輻射能量相等原則，對焦斑出發(fā)散角進行離散化，并給出每一個第二焦點處對應入射光線角度上下限值；

S3：考慮此系統旋轉對稱，只需要列出來多個橢圓函數方程既可表示。因此，根據S1中第一、二焦點坐標，以及S2中射線方程，可以列出該橢圓方程，并求出橢圓長、短軸及與入射光線上下射線交點坐標；

S4：設定初始橢球m，其反射光線與光軸夾角為90°，分別向m+1、m-1兩個方向求解擴展多個橢球參量長軸、短軸、入射光線、中心入射光線與橢球交點坐標值，以及中心入射光線與光軸法向方向夾角；

S5：由于不同第二焦點處反射光線與光軸夾角不同，在相同輻射功率下有效泵浦功率密度不同，因此對S2等輻射能量采用加權重系數進行修正，從而調整入射光線角度值；

S6：由于光源為擴展光源，必然經過反射橢球后產生球差效應，因此每個焦點位置隨不同入射光線光源半高全寬變化，進一步修改S2中橢球方程中心坐標值；

S7：為增加泵浦光與激光介質耦合效率，通過設計反射球面鏡增加泵浦光二次甚至多次輻射激光介質棒。因此設計時球面反射鏡入射端口大小與一級聚焦光斑尺寸相當，球心位于激光介質棒中心位置；

S8：通過光跡追蹤獲得泵浦光分布，計算出每個第二焦點附近二次以上反射泵浦光輻射通量，以此為依據修正一次泵浦光輻射通量，往復循環(huán)設計泵浦腔參量。通過計算激光介質棒側面輻射通量均勻度或一次反射與二次反射輻射通量標準差接近時停止循環(huán)輸出復合聚光腔參量。