本发明涉及大能量片状放大器在矩形光斑端面泵浦时，增益介质包边法向生热不均匀情况的一种解决方法。
背景技术：
目前，全固体激光器已成为高能高功率激光技术的的主要技术。然而由于ase的存在会消耗反转粒子数，限制增益介质储能，所以ase是影响放大器效率的一个关键因素。为了有效消除ase，可以在增益介质外缘进行包边处理，通过包边对泵浦区域产生的ase能量进行吸收。对于二极管激光器整形后的矩形光斑泵浦，由于区域不对称性导致光子在自发辐射行进过程中存在光程差，这不仅会导致包边与增益介质有源区接触区域产生较大的径向热梯度，而且在包边区域也会产生法向热梯度。appliedoptics一篇名为《scalabledesignforahighenergycryogenicgascooleddiodepumpedlaseramplifier》的文献，其介绍了在高能量片状激光器中包边对减少ase的重要作用，但是该项目采用的是圆形光斑泵浦，由于泵浦区域的对称性不存在因为光程差导致的增益介质中ase能量差异。而对于矩形光斑泵浦，尤其是长宽比比较大的矩形光斑，光子到达圆形包边层的光程差很大，法向上的热梯度会导致增益介质形变或者影响激光光束质量。
技术实现要素：
为了有效解决在大能量片状激光器中增益介质包边法向热梯度的问题，本发明提供了一种通过理论计算得到包边区域法向热梯度分布，采用热导率大于200w/(m·k)的金属作为垫圈，外接水冷的方法改善由于矩形光斑泵浦导致的包边法向热梯度不均匀现象。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：
一种片状增益介质包边法向热梯度的平衡方法，其特点在于：该方法包括步骤如下：
①搭建实验光路：包括激光二极管、增益介质、金属垫圈、水冷接头和水箱；使激光二极管水平出射的矩形光斑作为泵浦源，垂直入射到所述的增益介质，该增益介质的周缘固定有所述的金属垫圈，该金属垫圈经所述的水冷接头与水箱连通；
所述的增益介质是圆片状激光增益介质，用同质材料掺杂离子作为包边材料对增益介质做包边处理，形成包边层；
所述的金属垫圈为空心垫圈，该空心垫圈内径与增益介质包边内径尺寸相同；
②以增益介质接收泵浦面一侧中心位置为原点，泵浦传播方向为z轴，泵浦光斑长边为x轴，短边为y轴作为坐标系，计算泵浦速率分布p，公式如下：
式中：ι为泵浦脉宽，f为泵浦光重复频率，pm为泵浦峰值功率，α为增益介质吸收系数，ω为泵浦光有效光斑半径，a为泵浦光斑面积，n为高斯光束的阶数；
计算泵浦热源q，公式如下：
q＝η*p；
式中：η为增益介质生热系数；
③构建蒙特卡洛仿真ase模型，仿真得到在泵浦期间包边生热分布；
④对包边生热分布求导，得出包边法向热梯度分布图。
可选地，所述矩形泵浦光斑面积小于增益介质有源区面积。
可选地，金属垫圈的热导率大于200w/(m·k)。
可选地，所述的步骤③构建蒙特卡洛仿真ase模型的方法，具体步骤如下：
1、采用matlab仿真软件产生伪随机光线进行光线追迹。由于蒙特卡洛的精度与取样数目n-1/2成正比，为了得到更高精度的结果尽量采用较多光线追迹达到足够高的精度。
2、设置光子追迹截止条件。设光子刚被激发时的能量为初始能量，当光子能量小于初始能量的90％时截止；光子到达包边层被包边吸收追迹截止；光子经由通光面射出增益介质追迹截止；
3、根据泵浦函数进行时间步长迭代，计算在泵浦期间包边生热分布。
与现有技术相比本发明的有益效果是，采用在包边区域加以热导率大于200w/(m·k)的金属垫圈散热方式补偿包边法向热梯度导致的温度不均匀问题，有效地消除了由于光程差导致的ase能量不均匀在包边法向热梯度问题，能够在大能量激光实验中获得更好冷却效果和光束质量。
附图说明
图1是本发明实施例结构说明图。
图2是本发明实施例未加垫圈介质表层包边内径法向热梯度随角度变化的分布图。
图3是本发明实施例包边起始参考角度示意图。
图4是本发明实施例加入垫圈介质表层包边内径法向热梯度随角度变化的分布图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
本发明一种片状增益介质包边法向热梯度的平衡方法，具体步骤如下：
①搭建实验光路；
包括激光二极管、增益介质、金属垫圈、水冷接头和水箱；使激光二极管水平出射的矩形光斑作为泵浦源，垂直入射到掺杂sm离子包边处理的圆片状nd:luag增益介质，该增益介质的周缘固定空心金属垫圈，金属垫圈经水冷接头与水箱连通，初始水温设置为23度；
②通过参量计算泵浦热源函数；
选取ld泵浦模块泵浦光斑尺寸为是35mm×32mm，泵浦峰值功率为93.75kw，脉宽270us，重复频率为10hz；选择增益介质尺寸φ64mm×6mm，其中有源区为φ50mm×6mm，其余为包边面积，增益介质吸收系数3.1cm-1,增益介质生热系数为0.43；采用8阶超高斯光束泵浦，得到泵浦热源函数的表达式如下：
③蒙特卡洛仿真ase模型的构建；
matlab仿真软件追迹10万条伪随机光线对增益介质在ld泵浦下的ase进行仿真分析，时间步长为1，进行270次迭代。光子仿真的边界条件为，光子到达增益介质两个通光面和到达包边区域。当光子到达增益介质通光面时，如果入射角大于临界角则发生全反射，如果入射角小于15度角则在通光面发生全反射或者全透射，如果入射角介于两者之间则根据菲涅尔定律计算反射率和透过率；当光子到达包边层时，光子被包边吸收。
光子的截止条件为，设光子刚被激发时的能量为初始能量，当光子能量小于初始能量的90％时截止；光子达到包边被包边吸收追迹截止；光子以小于15度角到达镀有高透膜一侧发生全透射追迹截止。
④对包边生热分布求导，得出包边法向热梯度分布图；
为了便于说明，本实施例选取泵浦一侧增益介质表面为目标数据，将环形包边同一角度的能量相加求和，然后以环形角度为自变量，吸收能量为因变量进行函数拟合，经过matlab软件对10万光子追迹。
经拟合得到未加银质垫圈时包边热梯度分布曲线为图2，在93°、108°、251°、266°角度方向变化率很大。加入热导率为412w/(m·k)的银质垫圈使ase到达包边的热量被水冷带走，保证包边法向热量的均匀性，在matlab追迹仿真中加入热传导机制后重新追迹10万光子，得到包边热梯度分布为图4，热梯度曲线平缓，解决了热梯度剧烈变化的问题。