[发明专利]轴向均匀泵浦复合聚光器设计方法

说明书

本发明涉及一种轴向均匀泵浦复合聚光腔制作方法，属于光学领域。该方法的实现过程为：基于一级聚光系统焦斑处光斑半高全宽及随发散角变的辐射强度，在介质棒轴向设置N个等间距焦点，对光源N等分辐射通量成像对应焦点处形成轴向均匀泵浦。针对有效垂直辐射通量及像差两个影响均匀度问题，采用辐射光线与棒法线夹角引入权重因子η矫正每点辐射通量，采用变化半高全宽函数调整焦点间距。增加球面反射腔提高二次以上泵浦辐射耦合效率问题，二次泵浦引起轴向不均匀，可通过修正一次泵浦通量分布解决。本发明解决了二级聚光系统同时获得高耦合效率与均匀泵浦光分布问题，用于制作高集光效率与激光光束质量太阳能激光器二级聚光腔。

技术领域：

本发明属于非成像光学聚光技术领域，特别涉及轴向均匀泵浦复合聚光器设计方法。

背景技术：

近期国内外研究结果中表明，通过增加非球面透镜改进二级聚光系统从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达到32.5W/m²，但很难持续提高。而采用侧面泵浦方式可以使得光束质量M²1.2，但集光效率降低为7.9W/m²，前二级聚光系统无法同时提高这两个参数。

为了解决该问题，本项目研究内容通过复合椭球附带球面反射镜二次聚光器，形成一次均匀泵浦及二次以上辐射不降低一次辐射均匀度，提高激光介质吸收特性，从而改善泵浦光与激光介质棒轴向均匀耦合问题，在不降低集光效率的基础上大幅度提高激光输出基模功率占总功率比重。

发明内容：

为达上述目的，本发明所才采取如下的技术方案：

S1：根据一级菲涅尔透镜聚焦光斑尺寸及光强随发散角变化参量，选定激光介质棒长度及第二焦点间距，推算第二焦点坐标位置；

S2：依据各个焦点辐射能量相等原则，对焦斑出发散角进行离散化，并给出每一个第二焦点处对应入射光线角度上下限值；

S3：考虑此系统旋转对称，只需要列出来多个椭圆函数方程既可表示。因此，根据S1中第一、二焦点坐标，以及S2中射线方程，可以列出该椭圆方程，并求出椭圆长、短轴及与入射光线上下射线交点坐标；

S4：设定初始椭球m，其反射光线与光轴夹角为90°，分别向m+1、m-1两个方向求解扩展多个椭球参量长轴、短轴、入射光线、中心入射光线与椭球交点坐标值，以及中心入射光线与光轴法向方向夹角；

S5：由于不同第二焦点处反射光线与光轴夹角不同，在相同辐射功率下有效泵浦功率密度不同，因此对S2等辐射能量采用加权重系数进行修正，从而调整入射光线角度值；

S6：由于光源为扩展光源，必然经过反射椭球后产生球差效应，因此每个焦点位置随不同入射光线光源半高全宽变化，进一步修改S2中椭球方程中心坐标值；

S7：为增加泵浦光与激光介质耦合效率，通过设计反射球面镜增加泵浦光二次甚至多次辐射激光介质棒。因此设计时球面反射镜入射端口大小与一级聚焦光斑尺寸相当，球心位于激光介质棒中心位置；

S8：通过光迹追踪获得泵浦光分布，计算出每个第二焦点附近二次以上反射泵浦光辐射通量，以此为依据修正一次泵浦光辐射通量，往复循环设计泵浦腔参量。通过计算激光介质棒侧面辐射通量均匀度或一次反射与二次反射辐射通量标准差接近时停止循环输出复合聚光腔参量。