流道结构对半导体泵浦流动铷蒸气激光器特性影响

为研究气体流道结构对半导体泵浦流动碱金属蒸气激光器(FDPAL)输出性能的影响,本文结合FDPAL中气体传热、流体力学和激光动力学过程建立了FDPAL理论模型,以侧面泵浦Rb蒸气FDPAL(Rb-FDPAL)为仿真对象,分析气体流动方向、流道横截面积和流道形状等对Rb-FDPAL输出性能的影响。结果表明,采用横流方式,通过提高流道横截面积并将气体流道与蒸气池连接部位设置为砌体结构时,蒸气内涡流得到有效抑制,气体流速增加,蒸气池内热效应更小,Rb-FDPAL的激光输出功率和斜率效率更高,仿真结果与实验相符。

高温高斜率效率1060 nm单模半导体激光器

1060 nm半导体激光器在高能激光系统种子源、空间激光雷达等领域具有广泛的应用,受限于砷化镓体系InGaAs量子阱材料大应力,在1060 nm波段激光器外延生长缺陷密度较高,且由于目前该波段激光器结构设计普遍采用窄波导结构,腔内损耗和非辐射复合水平较高,激光器斜率效率较低,高温特性较差。传统InGaAs压应变量子阱势垒高度较低加剧了激光器的高温特性劣化。文章通过优化激光器外延生长条件并采用应变补偿量子阱结构和厚N包层结构,精确控制材料应力和势垒高度,降低腔内损耗,减小远场发散角,研制出了一种高性能1060 nm单模半导体激光器,斜率效率在85℃时依然超过0.9 W/A。此外,通过引入分布式反馈激光器悬浮掩埋光栅结构实现了激光器波长锁定,斜率效率超过0.7 W/A。

1116 nm单频脉冲Nd∶YAG激光器

针对共振荧光测风雷达的探测需求,设计和研制了种子注入的Nd∶YAG电光调Q单频1116 nm脉冲激光器,采用带偏置电压反馈的扫描-触发谐振探测技术,建立了1116 nm单纵模振荡,并对中心频率稳定性进行分析。最终实现输出1116 nm激光单脉冲能量6.48 mJ,重复频率60 Hz,输出线宽为33.2 MHZ,脉冲宽度为75.7 ns。通过波长计测量输出光波长,波长稳定在1116.2979 nm附近。利用外差拍频,测定120 min中心频率稳定性(均方根)为818.3 kHz。该激光器输出光通过三倍频可变换至372 nm,作为铁共振荧光多普勒测风激光雷达的发射光源,频率抖动量对应的风速测量误差小于1 m/s。

高性能锑化物中红外半导体激光器的研究进展

半导体材料体系经历了3次重要迭代,在微电子、通信、人工智能、碳中和等重要领域得到了广泛应用。随着高新技术的快速发展,锑化物半导体作为最具发展前景的第4代半导体材料之一,在开发下一代高性能、小体积、低功耗、低成本的红外光电器件领域具有独特的优势和广阔的应用前景。综述了锑化物半导体激光器的发展过程和国内外的研究现状,分析了器件结构设计、材料外延、模式选择、波长扩展等关键问题,阐述了采用分子束外延技术生长高性能锑化物量子阱激光器,实现大功率、单模、高光束质量的锑化物激光器的设计方案和关键工艺技术,并对兼具低成本、高成品率、大功率等优异特性的单模锑化物激光器的研究前景进行了展望。

高功率1150 nm垂直外腔面发射半导体激光器

针对目前激光医疗、食品药品检测等领域对橙黄色激光的应用需求,开展了高功率基频光1150 nm垂直外腔面发射半导体激光器(VECSEL)研究。提出激光谐振腔内大尺寸基模光斑外腔结构,使VECSEL腔内模式匹配较大泵浦光斑尺寸,实现了高功率激光输出;提出增益峰-腔模失谐结构,增益峰与腔模温漂系数不同,高泵浦功率下具有良好的增益峰-腔模匹配,实现高泵浦功率工作下的激光波长稳定控制。制备的VECSEL器件在1150 nm激光波长的输出功率达到9.38 W,并获得良好的圆形对称的输出光斑形貌,光斑在正交方向上的发散角分别为7.3°和7.5°。

全光纤结构的2.8μm增益开关激光器

波长为2.8μm的中红外脉冲激光器在科研及生物医疗领域具有重要应用.自主研制基于增益开关的976 nm高功率脉冲激光器,并以此为泵浦源,两端刻有光纤光栅的Er^(3+):ZBLAN(ZrF_(4)-BaF_(2)-LaF_(3)-AlF_(3)-NaF)光纤线型腔作为振荡器,通过级联增益开关的方式,实现了全光纤结构的2.8μm增益开关激光器.输出脉冲的重复频率为50 kHz,脉宽为1.27μs,最大输出功率为175.2 mW,相应的脉冲能量为3.54μJ.由于采用增益开关和光放大方案制备的976 nm泵浦源输出稳定性较高,与采用传统电调制泵浦源方案相比,利用本研究泵浦源方案实现的2.8μm增益开关激光器具有更高的输出脉冲稳定性.该工作从提升输出特性方面拓展了2.8μm全光纤增益开关激光器的研究,并为其他波段增益开关激光器在提高输出脉冲稳定性方面提供了有益借鉴方案.

GaAs基近红外锥形半导体激光器的研究进展

基于GaAs衬底的近红外波段半导体激光器已经取得了显著的发展。在大功率研究方面,因为可以同时实现高功率、高光束质量的优良特性,主振荡功率放大器结构的锥形半导体激光器成为了广受关注的研究热点。归纳了近年来国内外关于GaAs基锥形激光器的代表性研究成果,讨论了激光器器件结构设计(包括脊形区、锥形区以及布喇格光栅等的设计)和外延层优化在理论研究及实验方面取得的进展;围绕高功率、高光束质量、高亮度、窄线宽应用需求,总结整理了锥形激光器的研究进展与性能特征;对本团队关于锥形激光器的研究工作进行了简要介绍;并展望了锥形激光器未来的发展方向。

基于WMS的可调谐半导体激光器驱动与温控电路设计

针对可调谐半导体激光器工作时,其工作电流和工作温度的波动导致激光器的输出的波长和功率不能保持恒定的问题,设计了一套基于STM32F407为主控芯片联合FPGA的半导体激光器小型化驱动与温控电路。通过与上位机交互,系统可实现激光器驱动电流和工作温度的连续可调,使半导体激光器的输出光的波长在最佳的范围内。经过测试,系统的驱动模块电流稳定度为0.075%,电流的实际值与理论值之间的相对误差平均值为0.538%;温度电路的稳定度在0.03℃,完全满足实际应用需求。

用于太阳光泵浦光纤激光聚光系统的改进型复合抛物面聚光器的设计

为研制适用于太阳光泵浦光纤激光器的聚光系统,在分析了传统复合抛物面聚光器(CPC)用于耦合光纤的可行性及其缺陷的基础上,提出了一种改进型CPC用于光纤耦合。完成了由主级抛物面反射镜和次级改进型CPC组成的太阳光泵浦多级聚光方案,并与普通CPC和透镜组构成次级聚光器的方案以及无次级聚光器的方案进行了对比。光线追迹仿真模拟结果表明:改进型CPC能够克服普通CPC出射光线发散的缺陷,从而提高与光纤的耦合效率,当主镜接收角度在±0.55°范围内,其耦合效率维持在93.53%-96.43%,该结果优于其他方案。

一种多波长激光器的多模式驱动研究

介绍了一种多波长半导体激光器驱动系统的设计,该系统采用了压控电流源与PicoLAS模块混合驱动的方法,具有效率高、体积小、电路简单可靠、易于系统集成等优点,为半导体激光器的驱动设计提供了一种选择和参考。

长波段半导体激光泵浦光纤激光器实现2 kW功率输出

半导体激光(LD)泵浦的高功率光纤激光器具有效率高、体积小、重量轻、稳定性好等优点,在工业加工等诸多领域都有着广泛的应用。为了提高泵浦光吸收率,传统光纤激光器常用915 nm和976 nm波段的LD作为激光的泵浦源。在该类LD泵浦的光纤激光器中,由于量子亏损和泵浦吸收系数相对较高,光纤激光器的热致模式不稳定(TMI)阈值相对较低。为了提高量子效率和潜在的TMI阈值,提出采用大于1010 nm波段的LD直接泵浦光纤激光器,产生高量子效率激光。搭建了振荡放大一体化的全光纤激光器,采用总泵浦功率为2.56 kW的1010 nm波段LD泵浦,首次获得输出功率2.05 kW、光束质量M^(2)约1.7的激光。后续将通过进一步增大泵浦功率、优化光纤特性以实现更高功率、更优光束质量的光纤激光输出。

热效应作用下高功率薄片涡旋激光器的模场结构

激光介质热效应引起的谐振腔模场结构变化成为高功率涡旋激光器的一个关键问题.本文建立了环形光泵浦薄片激光晶体的温度场及热形变计算模型,将热效应像差作为谐振腔衍射积分方程的微扰,研究热效应对激光器模场结构的影响规律.具体研究了Nd:YAG,Nd:YLF和Nd:YVO_(4)薄片涡旋激光器的模场结构随泵浦功率、晶体吸收系数、晶体厚度的变化规律.研究结果表明,热效应使涡旋激光器模谱产生径向展宽,模式纯净度下降.泵浦功率越大,高阶径向模式占比越大,模场结构越复杂.泵浦功率升高时,Nd:YVO_(4)激光器的模谱展宽最大,Nd:YAG激光器的模谱展宽最小.晶体吸收系数越大,模谱展宽越严重;激光晶体厚度减小时,模谱展宽呈增宽趋势.

基于色散补偿的宽光谱“9”字腔掺镱光纤激光器

超快激光器凭借其脉宽窄、光谱宽、峰值功率高等特点,在工业、医疗、科研等许多领域有着重要应用。通过在“9”字腔内进行色散补偿,激光器可以同时实现宽光谱输出与自启动锁模,当泵浦功率为160 mW时,光谱中连续光成分消失,两输出口的光谱半高全宽为22.6 nm和26.2 nm,压缩后脉冲宽度达到143 fs和128 fs。在自由运转情况下,1 h内输出激光的平均功率均方根值(root mean square,RMS)为0.1%。所设计的激光器具有光谱宽、集成度高、稳定性强的优点,能够满足微纳加工、生物光学、光谱探测等领域对超快激光的应用需求。

窄线宽外腔半导体激光器研究进展

窄线宽外腔半导体激光器具有结构简单、可调谐、噪声低等优势,广泛应用于量子精密测量、光通信、激光雷达等领域。根据外腔选频器件的不同,本文主要介绍光栅型激光器、干涉滤光型激光器、波导型激光器和法拉第激光器四类外腔半导体激光器,分析各类激光器的基本结构与选频机制、介绍各自的优缺点以及国内外研究进展。其中,前三类激光器采用非量子器件进行频率选择,而法拉第激光器利用共振法拉第旋光效应选频,输出波长直接对应原子跃迁谱线,对激光二极管的电流与温度变化具有良好的鲁棒性。随后介绍外腔半导体激光器的应用情况,尤其是在精密测量领域中的典型应用。最后总结并展望窄线宽外腔半导体激光器的未来发展方向。

利用非线性损耗提升全固态单频激光器输出功率研究进展(特邀)

全固态单频连续波激光器因其噪声低、线宽窄、光束质量好、功率稳定性高等优点已经被广泛应用于产生非经典光场、冷原子物理研究、引力波探测等诸多领域。随着科学技术的不断发展,传统的全固态激光器的输出功率已经不能满足前沿领域的需求,因此亟需在保持全固态激光器整体性能的同时进一步提升激光器的输出功率。为此首先需要更高的泵浦功率,而这将使激光器内部增益提高,在腔内损耗不变的情况下,原非振荡模式也将满足起振条件,从而使激光器在跳模或多模状态下运转。此外,激光晶体的热效应和损伤阈值也限制了输出功率的提高。本文介绍了一种利用非线性损耗大幅度提升全固态单频连续波激光器的输出功率的技术和方法。通过在谐振腔中引入非线性损耗,使主模经受的非线性损耗是次模的一半。在模式竞争的作用下,谐振腔内的模式被更进一步的选择,从而允许全固态单频激光器在更高的增益下保持单纵模运转。通过在谐振腔内插入多块增益晶体可以有效缓解由于激光增益晶体热效应的限制,从而实现更高功率的单频激光输出。目前高功率全固态连续波激光器的输出功率已经达到了一百瓦的量级,且还在进一步提高。通过在谐振腔内引入非线性损耗,全固态单频连续波激光器的整体性能在得以保障和提高的同时,其应用范围也得到了进一步的推广。

通信激光器及其调制技术研究进展

在光通信领域,激光器及其调制带宽、调制速率对无线光通信至关重要。对半导体激光器信号的调制方式主要有内调制和外调制两种。这两种调制技术具有各自的特点,适用于光纤通信中的不同领域,都是当前重要的研究热点。内调制激光器又称为直接调制激光器,因其具有高速传输以及低成本的特点,成为目前应用在第五代移动通信技术(5G)前传和数据中心中的高性价比光源。而外调制激光器不存在光源附加的Chirp,所以可以有效地克服光纤色散造成的复合二次差拍(CSB)失真。文章在回顾通信激光器及其调制技术发展历程的基础上,介绍了西安理工大学在该领域所做的工作以及取得的主要进展。针对半导体激光器发生非线性失真的内外因素进行讨论,仿真响应特性各参数、线性化补偿方法以及功率控制系统对光发射器件输出光源的作用,并分析了温度的起伏对激光器和调制器件输出功率产生的影响。采用折射率椭球基本理论和数值分析,分别在纵向和横向调制下,讨论出射光强随温度的变化趋势。结果表明,纵向调制下出射光光强随温度的变化趋势只与铌酸锂(LN)晶体折射率的变化有关;横向调制下出射光光强随温度的变化趋势不仅要受到晶体折射率的影响,还要受到晶体尺寸及其膨胀系数的影响,因此可以利用特殊尺寸的晶体来提高电光调制器的温度稳定性。

固体激光器涡旋光束产生实验系统设计与实现

高质量的涡旋光束在量子信息、激光雷达、激光通信等领域有着广泛的应用前景。为了用固体激光器直接产生涡旋光束,该文基于谐振腔模式与激光介质作用的速率方程,阐述了在二极管端面泵浦固体激光器中通过环形光泵浦产生拉盖尔-高斯涡旋光的原理。设计了环形光泵浦固体激光器产生涡旋光的实验方案并搭建了实验系统。实验产生了角向阶次为1阶、2阶的涡旋光束,相位涡旋手性可通过微调谐振腔输出镜调节。该实验能够使学生利用固体激光器直接产生涡旋光束并观察涡旋光束的相位特性,有助于学生加深对激光谐振腔模式理论及涡旋光束相位特性的理解,为相关专业学生的课程教学提供有力支撑。

混沌光纤激光器偏振分量的动力学特性

实验利用光纤的非线性克尔效应在掺铒光纤激光器中实现混沌激光的输出,详细研究了泵浦电流和偏振态等因素对系统输出的影响,分别对混沌光纤激光器偏振分量的输出功率,动态演变、互相关特性及光谱等动力学特性进行了详细分析。结果表明,混沌光纤激光器及其偏振分量的输出功率随泵浦电流的变化呈线性关系。随着泵浦电流的增加,混沌激光偏振分量历经周期、混沌和自脉冲的输出状态,与混沌激光器输出的动态演变步调一致。不同偏振态下,混沌激光偏振分量同样可实现从周期到混沌脉冲串的动态演变过程,偏振分量之间的相关性与系统的输出状态密切相关。实验对不同泵浦电流的光谱进行了分析,光谱的形状不随激光器输出的不同状态而改变,其中心波长基本保持不变。实验结果对研究新型偏振可控光纤激光器及多路光纤传感等应用提供了一种新思路,该工作对于探索混沌光纤激光器偏振分量的非线性动力学特性具有重要意义。

基于双F-P标准具的宽调谐窄线宽Tm:YAP脉冲激光器

设计了一种宽调谐、窄线宽、高重频的Tm:YAP脉冲激光器。采用三个切轴方向的Tm:YAP晶体作为增益介质,通过0.5 mmYAG材质F-P标准具和0.025 mm熔石英材质F-P标准具,激光器分别实现了49 nm、44 nm、51 nm波长连续调谐,具体分别为1 951~2 000 nm、1 932~1 976 nm、1 943~1 994 nm。同时测得激光线宽均在0.4 nm左右。声光调Q 10 kHz脉冲重复频率下,分别实现了最大平均功率5.08 W、6.29 W、4.83 W的脉冲激光输出。对比发现,b轴Tm:YAP激光器的平均功率最大,测得最大平均功率下的脉宽为65.7 ns,光束质量因子M2在x方向上为1.84,y方向上为1.93。结果表明b轴Tm:YAP晶体具有宽调谐、窄线宽、高功率、大能量激光的潜力。

基于MEMS反射镜的窄线宽外腔可调谐半导体激光器

基于大转角的电磁式MEMS反射镜和闪耀光栅作为外腔调谐元件,设计了Littman-Metcalf结构的外腔半导体可调谐激光器,MEMS反射镜可准确控制偏转角度,2 h内角度复位调谐波长漂移小于20 pm,该可调谐激光器实现了1435.81~1555.83 nm(120.02 nm)的稳定的波长调谐,全波段波长调谐过程中激光器边模抑制比大于30 dB,相同调谐电流下,激光器波长控制误差小于20 pm。注入电流350 mA时,外腔激光器输出功率达25.89 mW,最小阈值电流68 mA。利用延迟自外差法测得可调谐激光器的线宽优于69 kHz。该研究成果有望在激光雷达、相干激光通信、光学传感器及计量检测等诸多领域发挥重要作用。