CN111353223B - 一种激光器芯片腔面微缺陷的损伤发展预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于半导体激光器领域；激光器腔膜损伤发展的预测研究目前还比较匮乏，现阶段多是对损伤完成以后的腔膜进行观测，分析和研究，因而分析的既成损伤是随机的，并没有规律可循，无法对损伤的发展做出精准的直观的预测，本发明提供一种激光器芯片腔面微缺陷的损伤发展预测方法，根据对样本的整理分析建立缺陷几何结构建模并进行仿真，获取缺陷处光强值，再对阈值进行预测，得到带微缺陷的损伤阈值损伤阈值，由能量传递原理对缺陷的损伤发展进行迭代预测分析，以直观的方式显示了缺陷带来的电磁场的变化。对激光器芯片的生产加工以及应用具有重要意义。

Description

一种激光器芯片腔面微缺陷的损伤发展预测方法

技术领域

本发明属于半导体激光器领域，更具体的说，涉及一种激光器芯片腔面微缺陷的损伤发展预测方法。

背景技术

近年来，由于激光器能够传递信息和能量，而且具有传播距离远，能量衰减慢的特点，被广泛地应用于通信领域，科研军事以及仪器传感等方面。由加工过程给激光器芯片腔膜带来的一定密度的杂质以及随着电离过程中自由电子浓度的上升，都会对激光器腔膜带来损伤，即本征损伤和非本征损伤。但是，近年来，由于加工工艺的不断完善，由其带来的热致非本征损伤已经可以限制在一个很小的范围之内，而且激光器越来越朝着微型，高集合方向发展。因而，目前对于激光器芯片腔膜的损伤的研究主要集中在电离过程引起的本征损伤的研究。

对激光器腔膜损伤发展的预测研究目前还比较匮乏，现阶段多是对损伤完成以后的腔膜进行观测，分析和研究，因而分析的既成损伤是随机的，并没有规律可循，无法对损伤的发展做出精准的直观的预测。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种激光器芯片腔面微缺陷的损伤发展预测方法。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种激光器芯片腔面微缺陷的损伤发展预测方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1. 基于自由电子的电离过程，构建自由电子密度的变化公式如下：

其中，N（t）—自由电子密度，t—时间，n_e（t）—受激自由电子密度，I（t）—入射激光光强度(W/cm²)，W_PI（I（t））—光致电离率(s^-1·cm^-2)，W_II（I（t））—碰撞电离率（s^-1·cm^-3）；W_rel（n_e（t），t）—离子体能量衰减项(s^-1·cm^-3)。

步骤2. 根据激光器芯片腔膜损伤后的样本整理分析，将缺陷分为微划痕、微裂纹、微凹坑，并分别对缺陷模型进行激光辐照下的仿真。

步骤3. 模拟激光辐照下的缺陷物体的电场散射状态，获取缺陷处的电场分布：在FDTD Solutions中直接设置入射激光光源的入射角度，对缺陷分别进行激光辐照仿真，模拟激光器的工作过程。

步骤4. 根据步骤3中获取的最大电场求取芯片腔膜处的光强，再将光强数据代入步骤1中确定的自由电子密度公式中，计算带缺陷的激光器芯片腔面的最大自由电子密度，光强计算公式如下：

其中，ε为介电常数；μ为磁导率；E为电场强度。

步骤5. 将步骤4中获得的自由电子密度与临界自由电子密度n_cr比较，当自由电子密度与临界自由电子密度n_cr相等时，记此时的光强为I_th，将I_th对应的的激光能量密度作为损伤阈值，记为F_th。计算带微缺陷的激光器芯片腔膜的损伤阈值F_th，公式如下：

式中，τ为激光脉宽的宽度（us）。

步骤6. 对损伤的发展作出预测：计算网格损伤能量F_sh，作为网格损伤与否的判断标准，进行损伤迭代，计算能量传递，对损伤的发展作出预测。

进一步，所述步骤2的对缺陷模型进行激光辐照下的仿真基于FDTD Solution软件，步骤如下：

步骤2.1 确定缺陷几何结构，然后依次确定总场、网格区域、光源、散射场以及仿真区域。

步骤2.2 材料参数拟合：在设置整体区域和网格参数后，由材料参数拟合功能来判断参数设置是否合理，如若不合理，重复步骤2.1重新调节参数；当参数设置合理后，存储数据并开始仿真。

进一步，所述步骤5中的临界自由电子密度n_cr的计算公式如下：

式中： e—电子元电荷（C）；ε₀—自由空间介电常数（F·m ^-1）；m_e—有效电子质量 （电子/空穴约化质量，kg）；

—约化电子质量，等于3.0m_e；ω—入射激光角频率（rad/s）。

进一步，所述步骤6中的迭代计算能力传递的公式如下：

式中，E_max，0—激光场中的初始总能量；E_max—实际迭代步骤中的初始总能量；W_emitter—入射激光的宽度；W_damage—能量超过损伤阈值的所有网格的宽度。

进一步所述步骤6中对损伤进行预测的方法包括以下步骤：

步骤6.1 设定网格坐标，并对划分后的网格进行坐标设置，设定初始网格，即假定有一个初始能量大于损伤阈值的网格，并设置初始网格坐标为（x,y）。

步骤6.2 判断传播方向：判断与初始网格最邻近且接触面最广的三个网格的能量是否大于网格损伤阈值，并确定能量大于损伤阈值的周围网格与初始网格的位置关系。

步骤6.3 判断损伤：若没有损伤网格坐标输出，结束预测，判定为无损伤；若有损伤网格坐标输出，确定坐标输出对应的损伤网格周围与损伤网格最邻近且未发生损伤的网格的坐标，并将未发生损伤的网格的坐标作为下一次判断是否发生损伤的目标网格，循环迭代判断，对损伤发展作出预测；循环单迭代判断结束的条件为目标网格周围的所有网格的网格能量均小于网格能量损伤阈值。

综上所述，发明具有以下有益效果：

本发明通过对激光器芯片腔膜的各种微缺陷的仿真，获取缺陷处的电场值，进而获取缺陷处光强值，再对阈值进行预测，得到带微缺陷的损伤阈值，进而由能量传递原理对缺陷的损伤发展进行迭代预测分析；本发明以直观的方式显示了缺陷带来的电磁场的变化，并对激光器芯片腔膜的损伤做出直观的预测，对激光器芯片的性能，寿命，生产加工以及应用具有重要意义。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为对缺陷模型进行激光辐照下的仿真流程图；

图3为损伤发展预测的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1~3所示，一种激光器腔面的损伤阈值计算方法，包括以下步骤：

步骤1. 基于自由电子的电离过程，构建计算自由电子密度的变化公式（1）：

（1）

其中，N（t）—自由电子密度，t—时间，n_e（t）—受激自由电子密度，I（t）—入射激光光强度(W/cm²)， W_PI（I（t））—光致电离率(s^-1·cm^-2)，W_II（I（t））—碰撞电离率（s^-1·cm^-3）； W_rel（n_e（t），t）—离子体能量衰减项(s^-1·cm^-3)；自由电子密度的变化由电离过程和自由电子密度衰减过程来表示，其中电离过程包括光致电离过程、碰撞电离过程。

步骤2. 根据激光器芯片腔膜损伤后的样本整理分析，将缺陷分为微划痕、微裂纹、微凹坑，并分别对缺陷模型进行激光辐照下的仿真，由于损伤样本的初期损伤形貌复杂多样，不利于仿真建模，因而样本整理分析为建立缺陷几何结构提供了便捷；对缺陷模型进行激光辐照下的仿真基于FDTD Solution软件，步骤如下：

步骤2.1 确定缺陷几何结构，然后依次确定总场、网格区域、光源、散射场以及总体仿真区域。

从上到下，其区域设置的大小是逐渐增大的，因而在设置时，按照此顺序不容易出错，也更容易对参数进行调节和分析，首先是缺陷几何结构的设置，缺陷几何机构是指对激光器腔膜损伤样本处理分类以后的缺陷模型，即步骤2中的微划痕，微凹坑以及微裂纹；缺陷几何结构的区域要求按照实际数据去处理，在操作中实际数据通常由合作企业提供的图像获取；总场区域位于内部，包含入射波和散射波；光源即使用的激光光源，光源的照射区域要大于总场的区域；网格区域设置，即对模拟的目标进行网格模拟，并确定网格模拟区域的范围，网格模拟区域不是一个固定的值，只要满足整体区域大小排序即可，即大于光源设置区域，小于散射场区域，散射场在这里指的是由于腔膜中微小粒子改变了激光的传播方向而形成的散射场，具体参数设置可直接输入数据；散射场位于外部，直接在FDTDSolutions中设置散射场即可实现只允许散射波的存在，不允许入射波的存在；仿真区域设置就是指将所有的区域包含在内，在该区域内进行整体的模拟仿真，因而仿真区域也是最大的。

步骤2.2 材料参数拟合：在设置整体区域和网格参数后，由材料参数拟合功能来判断参数设置是否合理，即查看实验数据点与拟合曲线是否近似重合，如若不合理，重复步骤2.1重新调节参数，直至参数设置合理，开始仿真；拟合曲线由FDTD Solutions软件在建立整体仿真以后自动生成。

步骤3. 模拟激光辐照下的缺陷物体的散射状态，获取缺陷处的电场分布：在FDTDSolutions中直接设置入射激光光源的入射角度，入射角度通常选择是90°，即垂直入射，对缺陷分别进行激光辐照仿真，模拟激光器的工作过程；从场监视器中可显示出基于FDTD划分网格后的每个网格的电场值，也就是总场和散射场内每个空间位置的电场值，很直观地显示了区域内的电场变化。

步骤4. 根据步骤3中获取的最大电场求取芯片腔膜处的光强，激光光强由FDTDSolutions仿真软件中直接设置，此处的光强指的是在激光照射下，芯片腔膜处产生的光强，再将光强数据代入步骤1中确定的自由电子密度公式中，计算带缺陷的激光器芯片腔面的最大自由电子密度，利用公式（2）计算光强：

（2）

其中，ε为介电常数；μ为磁导率；E为电场强度。

步骤5. 将步骤4中获得的自由电子密度与临界自由电子密度n_cr比较，当自由电子密度与临界自由电子密度n_cr相等时，记此时的光强为I_th，将损伤阈值F_th作为激光能量密度，利用公式（3）计算带微缺陷的激光器芯片腔膜的损伤阈值F_th：

（3）

式中，τ是指激光脉宽宽度（us）。

激光损伤判别的标准就是临界自由电子密度n_cr，即当自由电子的密度达到n_cr时，判断损伤开始产生，利用公式（4）计算临界自由电子密度n_cr：

（4）

式中： e—电子元电荷（C）；ε₀—自由空间介电常数（F·m^-1）；m_e—有效电子质量 （电子/空穴约化质量，kg）；

—约化电子质量，等于3.0m_e；ω—入射激光角频率（rad/s）。

步骤6. 对损伤的发展作出预测：计算网格损伤能量F_sh，即激光器芯片腔膜损伤阈值F_th乘网格面积S，作为网格损伤与否的判断标准，进行损伤迭代计算能量传递，对损伤的发展作出预测，通过公式（5）迭代计算能量传递：

（5）

式中，E_max，0—激光场中的初始总能量；E_max—实际迭代步骤中的初始总能量；W_emitter—入射激光的宽度；W_damage—能量超过损伤阈值的所有网格的宽度；当网格能量介于0到损伤阈值之间时，网格持续吸收能量，此时并不进行扩展，只有当网格能量超过网格能量损伤阈值时，损伤的扩展才体现在网格当中，通过MATLAB软件，将损伤扩展的网格设置为黑色；当损伤网格的宽度等于入射激光的宽度时，能量传递结束，此时，激光器腔膜完全损坏。

对损伤进行预测的方法包括以下步骤：

步骤6.1 设定网格坐标，即通过MATLAB软件基于时域有限差分算法对腔面进行网格划分，并对划分后的网格进行坐标设置，设定初始网格，即假定有一个初始能量大于损伤阈值的网格，并设置初始网格坐标为（x,y），由于研究的内容就是损伤发展预测，所以要假定已经存在损伤点。

步骤6.2 判断传播方向：判断与初始网格最邻近且接触面最广的三个网格的能量是否大于损伤阈值，并确定该能量大于损伤阈值的网格与初始网格的位置关系，即判断下一个能量大于损伤阈值的网格是位于初始网格的左侧、右侧还是下侧，判断网格坐标为（x-1,y）、(x+1,y),以及（x,y-1）的三个与初始网格最邻近且接触面最广的三个网格的能量是否大于损伤阈值。

步骤6.3 判断损伤：若没有损伤网格坐标输出，结束预测，判定为无损伤；若有损伤网格坐标输出，确定坐标输出对应的损伤网格周围与损伤网格最邻近且未发生损伤的网格的坐标，并将未发生损伤的网格坐标作为下一次判断是否发生损伤的目标，即判断与损伤网格最邻近的周围网格是否发生损伤，所以要将周围网格作为下一次判断的目标网格，目的是确定周围网格的坐标，循环迭代判断，对损伤发展作出预测，对损伤不做分类，就是为了看到损伤的扩展，便于对损伤发展作出预测；循环单迭代判断结束的条件为目标网格周围的所有网格的网格能量均小于网格能量损伤阈值。

注意：1.在损伤开始时，假定一个初始网格发生了损伤，判断下一步损伤发展的路径时，判断的是与初始网格最邻近的且接触面积最大的网格，即初始损伤网格的左侧，右侧和下侧网格，不判断上侧网格是因为激光是从正上方垂直入射的；2.确定周围网格的目的在于简化损伤发展路径的判断过程，原因在于，首先，当判断下一个损伤网格的下一传播路径时，如果仍然判断三个方向，即左侧右侧和下侧，很明显这里出现了一个错误和一个多余步骤，一个错误指的是如果只关注当前损伤网格的话，无法判断当前网格的能量来源网格所带来的损伤是不是还会向其他方向扩展，会忽略来源网格能量的沉积带来的持续的损伤扩散；一个多余步骤指的是对当前损伤网格进行下一步的损伤判断时，如果当前网格的损伤来源网格位于它的右侧或者左侧，那么下一步的判断当中将会重新涉及到来源网格，这样显然是多余的；所以将每一步的损伤网格筛选出来后，确定其周围网格是很有必要的。

确定周围网格的方法：1）将相同y值的坐标归为一类，即按行归类；2）确定每行的x值的最值，并对最小值减1，最大值加1，分别存储x的最大值x_max和最小值x_min；3）由2）确定的x值以及其对应的行的y值，组成损伤区域左侧和右侧的周围坐标；4）将最大的y值对应的坐标提取出来，对y值加1，并保持x值不变；5）将4）中的x值和y值组成新的坐标，即损伤区域下侧的周围坐标。在确定周围网格的方法中规定y值向下增大。

本发明通过对激光器芯片腔膜的各种微缺陷的仿真，获取缺陷处的电场值，进而获取缺陷处光强值，再对阈值进行预测，得到带微缺陷的损伤阈值，进而由能量传递原理对缺陷的损伤发展进行迭代预测分析；该发明以直观的方式显示了缺陷带来的电磁场的变化。对激光器芯片的生产加工以及应用具有重要意义。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种激光器芯片腔面微缺陷的损伤发展预测方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1. 基于自由电子的电离过程，构建自由电子密度的变化公式如下：

其中，N（t）—自由电子密度，t—时间，n_e（t）—受激自由电子密度，I（t）—入射激光光强度(W/cm²)，W_PI（I（t））—光致电离率(s^-1·cm^-2)，W_II（I（t））—碰撞电离率（s^-1·cm^-3）；W_rel（n_e（t），t）—离子体能量衰减项(s^-1·cm^-3)；

步骤2. 根据激光器芯片腔膜损伤后的样本整理分析，将缺陷分为微划痕、微裂纹、微凹坑，并分别对缺陷模型进行激光辐照下的仿真；

步骤3. 模拟激光辐照下的缺陷物体的电场散射状态，获取缺陷处的电场分布：在FDTDSolutions中直接设置入射激光光源的入射角度，对缺陷分别进行激光辐照仿真，模拟激光器的工作过程；

步骤4. 根据步骤3中获取的最大电场求取芯片腔膜处的光强，再将光强数据代入步骤1中确定的自由电子密度公式中，计算带缺陷的激光器芯片腔面的最大自由电子密度，光强计算公式如下：

其中，ε为介电常数；μ为磁导率；E为电场强度；

步骤5. 将步骤4中获得的自由电子密度与临界自由电子密度n_cr比较，当自由电子密度与临界自由电子密度n_cr相等时，记此时的光强为I_th，将I_th对应的的激光能量密度作为损伤阈值，记为F_th；

计算带微缺陷的激光器芯片腔膜的损伤阈值F_th，公式如下：

式中，τ为激光脉宽的宽度（us）；

步骤6. 对损伤的发展作出预测：计算网格损伤能量F_sh，作为网格损伤与否的判断标准，进行损伤迭代，计算能量传递，对损伤的发展作出预测。

2.根据权利要求1所述的激光器芯片腔面微缺陷的损伤发展预测方法，其特征在于：所述步骤2的对缺陷模型进行激光辐照下的仿真基于FDTD Solution软件，步骤如下：

步骤2.1 确定缺陷几何结构，然后依次确定总场、网格区域、光源、散射场以及仿真区域；

步骤2.2 材料参数拟合：在设置整体区域和网格参数后，由材料参数拟合功能来判断参数设置是否合理，如若不合理，重复步骤2.1重新调节参数；当参数设置合理后，存储数据并开始仿真。

3.根据权利要求1或2所述的激光器芯片腔面微缺陷的损伤发展预测方法，其特征在于：所述步骤5中的临界自由电子密度n_cr的计算公式如下：

式中： e—电子元电荷（C）；ε₀—自由空间介电常数（F·m ^-1）；m_e—有效电子质量（电子/ 空穴约化质量，kg）；

—约化电子质量，等于3.0m_e；ω—入射激光角频率（rad/s）。

4.根据权利要求3所述的激光器芯片腔面微缺陷的损伤发展预测方法，其特征在于：所述步骤6中的迭代计算能力传递的公式如下：

式中，E_max，0—激光场中的初始总能量；E_max—实际迭代步骤中的初始总能量；W_emitter—入射激光的宽度；W_damage—能量超过损伤阈值的所有网格的宽度。

5.根据权利要求4所述的激光器芯片腔面微缺陷的损伤发展预测方法，其特征在于：所述步骤6中对损伤进行预测的方法包括以下步骤：

步骤6.1 设定网格坐标，并对划分后的网格进行坐标设置，设定初始网格，即假定有一个初始能量大于损伤阈值的网格，并设置初始网格坐标为（x,y）；

步骤6.2 判断传播方向：判断与初始网格最邻近且接触面最广的三个网格的能量是否大于网格损伤阈值，并确定能量大于损伤阈值的周围网格与初始网格的位置关系；

步骤6.3 判断损伤：若没有损伤网格坐标输出，结束预测，判定为无损伤；若有损伤网格坐标输出，确定坐标输出对应的损伤网格周围与损伤网格最邻近且未发生损伤的网格的坐标，并将未发生损伤的网格的坐标作为下一次判断是否发生损伤的目标网格，循环迭代判断，对损伤发展作出预测；循环单迭代判断结束的条件为目标网格周围的所有网格的网格能量均小于网格能量损伤阈值。

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