体布拉格光栅外腔倍频半导体激光器研究

为提高绿光激光器的输出特性,设计了一种体布拉格光栅外腔倍频半导体激光器。采用反射型体布拉格光栅作为反馈元件构成外腔半导体激光器,并使用三硼酸锂晶体进行倍频,研究了基频光的光束及光谱特性对倍频光的光束及光谱特性的影响。实验结果表明,使用体布拉格光栅进行外腔锁波时,所得到的倍频光同样能实现窄带宽输出,同时倍频光的远场分布与基频光的远场分布一致。使用衍射效率为10%的体布拉格光栅作为外腔输出镜,可将半导体激光器的输出波长稳定锁定在1064 nm,所得到的倍频光波长稳定在532 nm附近,光谱线宽压缩至0.4 nm左右,输出功率可达73 mW。

体布拉格光栅用于高功率光谱组束的研究

使用透射型体布拉格光栅组束两束光纤激光,实现了856 W光谱组束输出。总的光谱组束效率为73.7%,组束光束的横向质量因子为7.9,纵向质量因子为2.7。研究结果显示,虽然体光栅的角色散严重影响衍射光束的光束质量,但其并不影响透射光束的光束特性。由于当前宽谱光纤激光器的输出功率远大于窄线宽输出,使用宽谱光纤激光器(光谱带宽超过4nm)作为透射光束,能够在不降低组束效率和组束光束质量的前提下,有效提升使用体布拉格光栅进行光谱组束的总输出功率。

波长啁啾体布拉格光栅外腔实现激光二极管阵列的波长光束组合

采用波长啁啾体布拉格光栅外腔,利用多波长光束组合技术成功实现了由49个发光单元构成、阵列发光单元宽度为100μm、填充因子为0.5的标准1 cm阵列的输出光的光束组合连续工作时,实验获得组合输出光束平均功率为11.2 W的近圆形光斑输出,其快慢轴方向光束质量平方因子约为6,最大工作电流对应的组合效率约为30%。通过进一步实验验证其最大工作电流时组合效率可达64%,并对其技术优势和应用前景做了讨论。

基于体布拉格光栅的光谱合成的数值分析

建立了分别用一个和两个反射式体布拉格光栅实现两路和三路光束合成的物理模型,模型中考虑了体布拉格光栅的吸收,并假设入射光束的光谱具有高斯线型。通过对两路和三路光谱合成的数值分析可知:当光谱宽度为0.1 nm时,两路和三路光谱合成的效率分别为98.76%和97.69%;当光谱宽度为0.3 nm的时候,对应的效率分别为97.34%和95.78%。随着光谱宽度的增加,合成的效率明显降低。当光谱宽度较窄时,实现多路光束较高的合成效率是可行的,这为高能激光的获得提供了一种确实可行的方法。

体布拉格光栅外腔半导体激光器的光栅旋转角度容差

采用步进电机控制光栅角度,对Ф200μm和Ф600μm圆柱透镜准直的体布拉格光栅(VBG)外腔单管C封装半导体激光器进行了系统研究。实验结果表明:激光二极管(LD)驱动电流越大,准直效果越好,VBG的角度调整容差越小;快轴方向的准直效果越好,慢轴方向的光栅调节角度容差越大;对于衍射效率28%、厚1.4mm的光栅,LD快轴发散角为7.3mrad时,快轴方向的角度容差不大于3.2mrad,慢轴方向的角度容差较快轴大约一个数量级。

双体布拉格光栅光谱反馈特性的理论研究

基于Kogelnik理论模型,以平面波为入射光,分析了双体布拉格光栅(VBG)的反馈特性。理论分析表明,采用双VBG结构,通过控制两个VBG的中心波长差,可以使光栅反馈的效率提高,带宽加宽。对于由两块带宽100pm、衍射效率20%的VBG组成的双VBG反馈系统,中心波长相同时,衍射效率最大(33.3%);中心波长相差84pm时,其带宽为单VBG带宽的1.8倍(180pm)。由于VBG的中心波长存在温度漂移特性,因此通过改变双VBG结构中VBG的温度可以实现衍射效率和带宽的改变,为泵浦源的优化提供有效可行的方法。

光热敏折变玻璃的体布拉格光栅热特性理论研究

光热敏折变(photo-thermo-refractive,PTR)玻璃材质的体布拉格光栅(volume Bragg grating,VBG)在外腔半导体激光器(laser diode,LD)光谱特性改善领域具有较为广泛的应用。基于有限元分析方法,研究了LD辐照高度、LD功率和工作温度对VBG热分布的影响。在LD功率为40 W和工作温度为25℃的工作条件下,辐照高度分别为1.48、0.88和0.28 mm时,VBG的最高温升分别为8.52、5.07、2.20℃。辐照区域内的温度与工作温度的偏差随LD功率升高等比例变大。升高VBG工作温度,可以缩小辐照区域内的实际温度与工作温度的差距。结果表明,通过优化辐照高度和LD的工作参数,可以实现VBG工作区域较小的温度梯度分布。

温控体布拉格光栅外腔单管半导体激光器

为了研究铷蒸气激光中的线宽匹配技术,基于半导体制冷片(TEC)的温度控制技术设计了窄线宽可调谐单管半导体激光器。利用半导体激光器的温度漂移特性,使LD的激光光谱中心波长在780 nm附近(工作温度-6℃),采用体布拉格光栅(VBG)外腔结构改善了LD的激光光谱,获得了功率1.448 W线宽0.13 nm的激光输出。通过调节VBG的温度,LD波长可从779.28 nm调谐至780.13 nm,调谐范围达850 pm。

体布拉格光栅外腔实现激光二极管阵列同相模输出

采用体布拉格光栅作为商用二极管激光阵列外腔,通过将每个单元发出的光反馈回相邻单元实现了外腔锁相。采用这种方法对发光单元宽度为100μm、周期为200μm,由49个单元构成的二极管阵列进行了外腔锁相实验,在远场获得了高光束质量、窄带宽的稳定输出。二极管激光阵列自由运转下功率为15 W,经外腔锁相后输出功率为3.67 W,对应光束远场发散角1.47 mrad,光谱的峰值半宽由1.7 nm压窄到0.17 nm。

体布拉格光栅形变对高斯光束质量平方因子的影响

考虑热效应导致的体光栅表面形变引起体光栅背景折射率和周期的变化,进而引起体光栅介质介电常数的改变,对体光栅中传输的激光束特性的影响进行了研究。采用有限差分和稀疏矩阵的方法,对激光在有变形的体布拉格光栅中传输的波动方程进行数值迭代求解,并对激光束通过有形变的反射式体布拉格光栅后的功率反射比、光束束腰宽度、远场发散角和质量平方因子的变化进行了定量分析。结果表明,随着体光栅表面形变的增大,体光栅的功率反射比明显减小,输出光束的束宽、远场发散角和质量平方因子明显增大。

基于体布拉格光栅的Nd:YAG/Cr^(4+):YAG激光器波长调谐特性

通过建立包含体布拉格光栅波长特性的速率方程模型,模拟了不同泵浦功率、体布拉格光栅中心衍射效率和带宽情况下,激光器的波长调谐特性,包括波长调谐范围、激光光谱、能量和脉冲宽度。实验搭建了以体布拉格光栅作为输出镜的激光二极管泵浦Nd:YAG/Cr^(4+):YAG激光器,测试了不同体布拉格光栅温度和泵浦功率时的激光波长、线宽、能量和脉冲宽度,实验结果和理论分析结果基本相符。在重复频率为10 kHz,脉冲宽度为40μs,峰值功率为10.7 W的矩形脉冲泵浦下,通过调整中心衍射效率为70%,带宽为60 pm的体布拉格光栅温度,获得了1 063.77~1 064.48 nm的波长调谐。当体布拉格光栅为50℃时,获得了单脉冲能量为109.5μJ,脉冲宽度为1.71 ns,中心波长为1 064.432 nm,线宽为38.3 pm,光束质量M~2因子小于1.2的激光输出。研究结果可为体布拉格光栅的应用、激光器的光谱分析及设计提供参考。

透射体布拉格光栅选择性的研究

基于Kogelnik耦合波理论,推导了透射体布拉格光栅(VBG)的衍射效率方程,并用数值仿真分析了折射率调制度、晶体厚度与VBG的角度和波长选择性的关系。结果表明:当入射光满足布拉格条件时,厚度为2.0 mm、折射率调制度为250×10-6的VBG衍射效率为100%;当入射光的波长、角度偏离布拉格条件一个很小量时,VBG衍射效率迅速下降;当偏离量超出一定范围时,衍射效率降低为0。

基于透射型体布拉格光栅的两通道2.5kW光谱组束输出

体光栅光谱组束是获得高功率激光输出的一种有效途径.在有限的可用带宽内,光谱通道间隔影响着组束光束数目以及最终的高功率组束输出.采用耦合波理论,建立了一个两通道高功率光谱组束模型.通过优化体光栅光谱通道间隔,可放宽对组束子束线宽和功率的限制,组束功率可大幅提升而光谱密度并无显著下降.基于此,实验上获得了2.5 kW组束输出,绝对效率超过85%,通道间隔5 nm,光谱密度为0.51kW/nm.组束功率<1 kW时,组束输出能保持好的光束质量;组束功率>1.5kW时光束质量恶化较明显,通过分析发现,组束光束质量的恶化主要受限于体光栅的色散及高功率下体光栅复杂的热畸变.

体布拉格光栅滤波片及其光谱成像应用

利用厚体布拉格光栅的波长选择特性对目标光场进行窄带滤波,是实现高光谱成像的一种新途径。基于严格耦合波理论,设计了体布拉格光栅结构,探索了厚体布拉格光栅的制作工艺,搭建系统光路验证了体布拉格光栅的光谱成像能力。研究结果表明:要获得较窄滤波谱宽,需要提高体布拉格光栅的厚度周期比,并严格控制入射光束发散角;刻写光束质量、震动和偏振会极大地影响制作的光栅条纹面质量,需要从优化写入光的光束均匀性、采用防震措施以及调整两刻写光束偏振一致性等方面优化刻写过程,以提高光栅的衍射效率和质量;验证了体布拉格光栅滤波片进行空间二维面阵成像的能力,宽谱光源透射条件下,通过对入射光束进行准直,滤波谱宽5nm左右,空间分辨率约4lines/mm;漫反射条件下,使用体布拉格光栅对进行色散补偿,能够实现较为清晰的成像,空间分辨率约4.9lines/mm。

体布拉格光栅光谱滤波器特性研究

高透过率、窄光谱带宽、高抑制比的滤波器件是提升光学系统光谱纯度的核心部件,也是近年来新型光学器件领域研究的热门方向。传统的滤波器件不能够同时满足透过率、光谱带宽以及带外抑制的要求,而文中研究的体光栅作为一种新型的光栅,衍射效率大于90%,光谱带宽在100 pm左右,并且拥有一定的角度滤波特性。依据耦合波理论,理论仿真了各个光栅参数(光栅厚度、折射率调制度、光栅周期、光栅倾角)对光栅衍射效率及光谱带宽的影响,定量地给出了参数影响的大小,为体光栅的设计提供了理论指导。设计了体光栅测试系统,通过实验验证了体光栅的衍射效率、光谱带宽、角度选择性,实验结果与理论较为符合,为体光栅的实际应用提供了实验数据支持。

基于体布拉格光栅的高功率可调谐Er/Yb共掺光纤激光器

主要介绍基于体布拉格光栅(VBG)的宽调谐Er/Yb共掺光纤激光器.通过中心波长为976nm的半导体激光器(LD)包层泵浦Er/Yb共掺光纤,并利用VBG作为波长选择器件,在耦合进入光纤的泵浦光功率为51W的情况下,实现了13.1W的功率输出,激光中心波长为1570nm,相应的斜效率约26.6%.通过改变VBG的工作角度,实现了1532-1570nm连续可调谐激光输出,调谐范围达38nm,基本覆盖了整个光纤通信低损耗的C波段(1530-1565nm),激光功率输出水平≥10.66W.

体布拉格光栅外腔红光半导体激光器实验研究

采用反射型体布拉格光栅作为反馈元件构成红光外腔半导体激光器,对器件输出光特性进行了实验研究。重点研究了体布拉格光栅的位置对红光外腔半导体激光器远场特性的影响。实验结果表明,减小体布拉格光栅与激光器芯片之间的距离可提高激光器的锁模效果,窄化光谱,并且改善慢轴方向的光束发散角。使用衍射效率为20%的体布拉格光栅,可将半导体激光器的输出波长稳定锁定在634 nm附近,光谱线宽压缩至0.7 nm左右,输出功率可达1.06 W。

反射式体布拉格光栅设计及其在激光器中的应用研究

半导体激光器的发射波长随工作电流和温度的改变而变化,从而影响输出激光的有效线宽和波长稳定性,无法满足固体激光器中增益介质对泵浦源波长和线宽的要求。使用自主研发的衍射效率为9.9%的878 nm反射式全息体布拉格光栅(volume Bragg grating, VBG)作为半导体激光器的反射腔镜,可以将激光发射波长锁定在设计的878 nm附近,输出线宽仅为0.3 nm,波长电流漂移系数为0.015 nm/A,温度漂移系数为0.007 5 nm/℃。利用波长锁定的半导体激光器作为泵浦源、自主研发的衍射效率为98.71%和94.32%的1 064 nm VBG作为前后腔镜以及掺杂浓度为0.3%的Nd∶YVO4晶体作为增益介质搭建全固态激光器,经过空间光路的调试,获得中心波长1 064.2 nm、线宽0.29 nm的连续稳定激光输出。

体布拉格光栅外腔半导体激光器光谱特性研究

用体布拉格光栅(VBG)作为反馈元件与瓦级半导体激光器(LD)以及快轴准直柱透镜构成一个可以将半导体激光器的工作波长稳定在体布拉格光栅布拉格波长处的外腔激光器。测量了体布拉格光栅外腔激光器的波长稳定性与其工作电流、热汇温度、激光束准直装置等因素的关系。分析了波长稳定效果与半导体激光器增益谱特性、外腔结构参量等因素的关系。研究表明,在相同的工作电流、热汇温度下,当准直柱透镜直径为0.4 mm时的波长稳定效果较好;在此情况下,当热汇温度控制在30℃,工作电流从0.5 A增加到1.5 A的测量范围内,以及当工作电流固定在1.5 A,热汇温度从20℃增加到35℃时,测得的光谱特性表明,半导体激光器的工作波长可以很好地稳定在体布拉格光栅的布拉格波长处。与该激光器在同样条件下自由运转的光谱比较,可以看到,自由运转激射波长与体布拉格光栅的布拉格波长差值小于2.6 nm情况下,可以获得很好的波长稳定效果。实验也表明,当该值大于4.8 nm时波长稳定效果变差。

连续工作的体布拉格光栅外腔半导体激光器的温度特性

对体布拉格光栅(VBG)作为波长选择元件的外腔半导体激光器的波长锁定进行了实验研究,报道了连续运转输出功率达43.5 W的半导体激光器阵列的体布拉格光栅波长锁定实验结果,给出了不同热沉温度下的稳定的波长锁定结果,说明采用体布拉格光栅外腔将减小半导体激光器的温控压力。实验中发现,随着注入电流的增大,输出激光功率逐渐增强,锁定的激射波长向长波长方向偏移。在输出功率为34.5 W时,波长红移约0.56 nm。这一移动与实验测量的体布拉格光栅的温度特性相吻合。连续和高占空比运行、高输出功率情况下,在器件的设计和使用时应该考虑这一效应。