熔融度对熔锥型光纤耦合器特性的影响研究

熔锥型光纤耦合器是一种重要的光无源器件,在光纤通信、光学传感等领域有着广泛应用。通过实验的方法,深入研究熔融度对光纤耦合器耦合效率、光学性能和机械稳定性的影响。通过调整加热温度和熔融时间等参数,控制光纤材料的熔融程度。在光纤熔融拉锥过程中,采用不同的加热方式和熔融工艺,以获得不同熔融度的光纤耦合器,发现熔融度对耦合效率、光学性能和机械稳定性有重要影响。研究结果为进一步优化熔锥型光纤耦合器的设计和性能提供了重要指导,对促进光纤通信和光学传感技术的发展具有重要意义。

光纤耦合微通道反应系统原位监测海水氨氮和亚硝酸盐的研究

原位监测海水中氨氮(NH_(3)-N)和亚硝酸盐(NO_(2)^(-))对于水体富营养化评价十分重要。针对现有的氨氮、亚硝酸盐原位监测仪器难以在同一检测模块中分别实现荧光和分光光度分析,仪器高效集成及利用受到限制等问题,本文基于光纤耦合微通道反应系统,通过光波长切割、光纤波导和微通道反应Z型检测池等技术集成和条件优化,提出了在同一光纤偶联微反应系统中实现氨氮荧光分析和亚硝酸盐分光光度分析的原位测定技术。结果表明,该技术实现了荧光和可见光光度法的模式切换并可分别测定NH_(3)-N和定;不同的盐度对氨氮和亚硝酸盐测定影响较小;不同浊度下氨氮测定误差为-6.6%~2.5%,浊度补偿校正后NO_(2)^(-)测定误差小于0.1%。将该仪器应用于养殖海水中开展氨氮和亚硝酸盐的原位分析,仪器原位监测值与实验室方法测定值相符合。本文所提出的技术在同一模块中分别实现了氨氮和亚硝酸盐的荧光和分光光度两种模式的原位监测,为海水营养盐原位监测仪器的集成化设计提供了新的思路。

一种基于3×3光纤耦合器的激光波长测量方法

针对现有激光波长测量方法复杂、成本高、缺乏普遍适用性的问题,提出了一种基于3×3光纤耦合器的激光波长测量方法,理论推导了测量方法的基本原理,并搭建了激光波长实验测试验证系统。利用光纤延时线(FDL)改变干涉仪测量臂的传输时延,采用现场可编程逻辑门阵列(FPGA)采样得到该时延变化量对应的干涉信号条纹半周期数,根据半周期数与时延差之间的关系,计算出待测激光波长。实验测试结果表明:当用该测量方法测量出激光波长分别为1310.84、1550.78 nm时,使用光谱仪测得的激光波长分别为1310.56、1550.63 nm,两者结果几近一致。

水下湿插拔接触式光纤耦合设计与性能分析

水下连接器是水下观测网的关键零部件,采用油液密封方式实现低损耗连接,但该方式会导致光连接结构复杂、工程研制难度大。为解决此问题,对比陆基光纤网络的连接方式,提出接触式光纤连接器水下原位湿插拔的方案。基于水体吸收特性、朗伯-比尔定律以及液体的表面张力等理论进行原理分析,在光纤端面形成厚度在5μm以内的水膜且该厚度水膜对1310,1550 nm波段的吸收损耗可忽略不计;然后,以1550 nm波段为例,对光纤在空气、水、硅油的耦合损耗情况进行实验分析,并利用设计的光插针结构进行性能验证。实验数据显示,光纤水下原位湿插拔的平均损耗为0.17dB,光插针的原位湿插拔平均损耗为0.23 dB。由此表明,接触式光纤耦合设计能够满足水下湿插拔的低损耗连接要求。本文为水下光纤湿插拔连接器领域提供了新思路,提出在确保水体清洁的情况下可直接进行水下原位湿插拔的设计方案,有望打破国外以油液密封方式建立的技术垄断。

100W长纳秒脉冲光纤耦合输出532nm绿光激光器

设计了一种100 W长纳秒脉冲光纤耦合输出的532 nm绿光激光器,使用3个增益介质为Nd:YAG晶体的侧泵模块,结合主振荡功率放大技术、激光偏振复用放大技术和腔外激光倍频技术,实现了在重复频率10 kHz下输出532 nm激光109.5 W、脉冲宽度205 ns、倍频效率56.7%,两维光束质量分别为15.3和17.5。对200μm数值孔径0.22的光纤耦合输出进行了研究,最终实现101.6 W的532 nm绿光光纤耦合输出,耦合效率92.3%,1 h内功率波动约为0.83%(RMS)。这种高功率长纳秒脉冲的光纤耦合输出激光器可与水射流进行结合,对铜、碳化硅、陶瓷等特殊材料进行水导激光加工,其在光伏、芯片加工、电动汽车、3D打印等领域具有重大的应用价值。

空间光-光纤耦合技术进展与实验研究

总结了国内外空间光-光纤耦合技术在无线光通信中的研究进展,以提高空间光-光纤耦合效率为主线,介绍了西安理工大学在该领域的工作,包括空间光光纤耦合自动对准技术、自由空间光模式转换技术、空间光光纤耦合自适应光学波前校正技术、马卡天线的收发一体化技术。介绍了大气湍流中透镜阵列和单透镜耦合至单模光纤的耦合性能、大气湍流中马卡天线作为接收天线时的空间光耦合性能方面的研究进展。最后展望了无线光通信中的空间光-光纤耦合技术的发展前景。

Φ-OTDR系统非对称光纤耦合器相位解调方法研究

针对3×3光纤耦合器三路输出信号非旋转对称易导致相位解调产生误差的问题,提出了基于3×3光纤耦合器两路输出信号的非对称光纤耦合器相位解调系统理论,通过软件仿真分析验证了系统对单频周期信号与三次谐波信号的相位解调能力,并在相位敏感光时域反射仪(Φ-OTDR)上开展了光纤振动传感系统相位解调性能测试。实验结果表明,系统能够实现200~4000 Hz频率范围内的相位解调,振动定位绝对误差在±10 m以内,系统空间分辨率为21 m。本方法在减少系统硬件成本的基础上,为Φ-OTDR系统光纤耦合器分光比与相位差不恒定问题提供了新的解决思路与参考方案,可在交通安全监测等领域进行应用推广。

反向保偏光纤耦合器偏振特性研究

为了提升高能偏振光纤激光器输出激光偏振态稳定性,通过阐述反向保偏光纤耦合器反向消光比基本原理,采用信号光源与(6+1)×1反向保偏光纤耦合器研制相结合,取得了反向保偏光纤耦合器信号保偏光纤直径、信号保偏光纤应力区物理变化等因素和反向保偏光纤耦合器反向消光比的关系。结果表明,信号保偏光纤直径越小,输出偏振激光的偏振态越稳定,反向消光比大于49 dB,同时促进反向保偏光纤耦合器抽运光纤臂耦合效率提升至98%以上;正向偏振激光输出光纤应力区物理结构变化越明显,经反向保偏光纤耦合器反向输出偏振激光的偏振态越不稳定。该研究可为制备高消光比、高能偏振光纤激光器提供参考。

一种由非平面3×3单模光纤耦合器构成的可调分束比2×2单模光纤耦合器

介绍一种可调分束比２×２单模光纤耦合器。该耦合器由一个非平面３×３单模光纤耦合器将其中一对输入榆出端用反馈光纤连接，通过调节反馈光纤的长度来调节另外两输出端的输出光功率比，而成为一个２×２可调分束比单模光纤耦合器。对这一结构所进行的理论分析给出了在给定３×３耦合器特性情况下，分束比与反馈光纤长度之间的关系。数值计算给出了这一调节关系曲线，同时对这一结构进行了初步的实验分析，制成了带无接点反馈光纤环路的非平面３×３耦合器。通过ＰＺＴ调节反馈光纤环路的长度，达到了对两输出端光功率比的调节。实验结果与理论计算的结果基本一致。

高效率半导体激光器光纤耦合模块

随着半导体激光光源在激光加工领域的应用不断扩展,以激光二极管阵列制成的光纤耦合模块由于存在耦合效率低的缺点,已不能满足激光加工低成本的需求,因此研制高耦合效率的半导体激光器光纤耦合模块变得十分重要。本文将8只波长为808 nm、输出功率为5 W的单管半导体激光器通过合束技术耦合进光纤,制备了一种高效率的半导体激光器光纤耦合模块。光纤芯径为200μm、数值孔径(NA)为0.22,光纤输出功率为33.2W,耦合效率超过83%,这种高效率半导体激光器光纤耦合模块,可用于激光打标、塑料加工等领域。

激光加工用5kW光纤耦合半导体激光器

针对国内大功率半导体激光光纤耦合存在的问题,设计了光纤耦合聚焦系统,研制了5kW光纤耦合半导体激光器。比较了常见圆光斑光纤耦合与半导体激光方光斑光纤耦合的区别;对国产阵列型半导体激光堆栈,采用光束质量均匀化、偏振合束、多波长合束多路耦合等方式增加能量,将激光耦合进芯径为800μm,数值孔径(NA)为0.2的传能光纤中,实现了光纤耦合半导体激光输出光功率5 109W,光纤耦合效率85.69%,系统整体电光转换效率49.48%;在聚焦镜焦距为250mm时其激光功率密度达到2×105 W/cm2,可以用于金属的表面重熔、合金化、熔覆和焊接等领域。该激光器除了传能光纤外,其余部件均为为国产和自主研发,对我国国产高功率光纤耦合半导体激光器的开发具有重要的推动作用。

水导激光微细加工中激光与水束光纤耦合技术

为了保证水导激光微细加工中会聚激光与水束光纤的耦合效果,建立了由一个高精度耦合对准检测调整系统和一个特殊结构耦合装置组成的新的耦合系统,并提出了新的耦合对准方法。由于激光要经过空气层、玻璃层、水层进入水束光纤,因此根据计算结果,采用激光烧斑法来确定会聚透镜与水束光纤起始端(喷嘴孔)的距离;研究了激光在水束光纤中发生全反射的最大入射角;通过流体动力学仿真,设计了腔内流场分布均匀的耦合装置,保证了直径0.12 mm的水束光纤的高耦合品质;研究了激光能量在水束光纤中的衰减,采用特定波长和脉冲能量的激光和特殊过滤的去离子水来减小激光能量在水束光纤中耦合的损耗率。实验结果表明,水束光纤导光长度超过100 mm;采用该耦合技术能够在0.2 mm厚的硅基晶片上以2 mm/s速度切割出缝宽为0.12 mm的均匀窄缝,且几乎无裂纹、无热影响区。该耦合技术能够很好地满足水导激光微细加工的要求。

多线阵半导体激光器的单光纤耦合输出

设计并研制了一种多线阵半导体激光器的高亮度光纤耦合输出模块.激光器芯片采用了分子束外延方法生长的宽波导、双量子阱结构AlGaAs/GaAs激光器外延材料,激光器模块采用6只准直的线阵半导体激光器,器件腔长为1.2mm,单个发光单元宽度为100μm,发光单元周期为500μm,单线阵器件包括19个发光单元,单线阵器件的连续输出功率为50W,每只单线阵器件的准直输出光束经过空间合束后再通过光束对称化变换实现了多线阵器件输出的高光束质量功率合成,采用平凸柱透镜实现了合束光束与400μm芯径、数值孔径0.22石英光纤的高效率耦合,整体耦合效率达到65%,最大耦合输出功率达到195W,光纤端面功率密度达到1.55×105W/cm2.

百瓦级高亮度光纤耦合半导体激光模块的研制

用3只976 nm半导体激光短列阵作为子模块,研制出连续工作的百瓦级高亮度光纤耦合模块。首先,利用光束转换器将每个半导体激光短列阵进行光束整形;然后采用空间复用技术将3个半导体激光短列阵在光参数积小的方向上叠加,并利用倒置伽利略望远镜作为扩束器进一步压缩发散角;最后利用优化结构的透镜组将激光聚焦到芯径200μm,数值孔径为0.22的光纤中。测量结果显示:聚焦后激光的发散角为24.8°,焦平面的光斑尺寸为175.2μm;耦合后测量光纤出光功率可达107 W,对应亮度为2.23 MW/(cm2.sr),达到了国内利用列阵进行光纤耦合的领先水平;在工作电流为52.5 A时,电光转换效率为43.1%,远高于全固态等激光器;最后测量本模块在不同驱动电流时的光谱,并以此计算出模块的热阻为1.29 K/W,说明它的散热性能良好。结果表明,本光纤耦合模块适合应用于泵浦光纤激光器、医疗和激光加工等领域。

kW级光纤耦合输出二极管激光器模块

基于二极管激光器mini-bar的光纤耦合方式是一种降低耦合系统成本并提高整体转换效率的方法,为此,采用40片封装在铜微通道冷却器上的连续60W二极管激光器mini-bar组成空间叠加阵列,作为耦合光源,采用非球面柱透镜及柱透镜阵列对mini-bar叠阵进行了快轴与慢轴的准直,实现了两列叠阵的激光束沿快轴方向的空间合成以提高叠阵激光束的填充因子,合成后的激光束可以耦合进入芯径为800μm、数值孔径为0.22的光纤。测试结果表明,光纤耦合模块输出功率最高为1360 W,整体光光效率58%,光纤端面的功率密度达到1.73×105 W/cm2。

高功率半导体激光器光纤耦合模块

光纤耦合输出的高功率激光二极管模块具有体积小、光束质量好、亮度高等特点,在泵浦光纤激光器、材料处理、医疗仪器等领域都获得了广泛的应用。为了进一步提高光纤耦合激光二极管模块的输出功率,提出了基于多只激光二极管串联的光纤耦合方法。这种方法具有耦合效率高、光学元件加工简单等特点。利用两组反射镜,将多只高功率激光二极管输出光束经准直、复合、聚焦,耦合进光纤输出,根据激光二极管和光纤的相关参数设计了聚焦透镜。利用特殊加工的AlN材料作为过渡热沉解决了激光二极管的导热和相互之间的绝缘问题。采用这种方法将4只输出波长为980nm的高功率激光二极管输出光束耦合进数值孔径0.22、芯径100μm的多模光纤中,当工作电流为4.0A时,光纤连续输出功率为11.6W,耦合效率大于79%。

适用于金属薄板焊接的柔性光纤耦合半导体激光加工光源(英文)

研制了一种单光纤耦合的柔性半导体激光加工光源,该光源由20个传导热沉封装的激光列阵以线阵合束方式耦合而成,在大通道工业水冷条件下,从600μm芯径、NA为0.2的光纤中连续输出907 W功率,输出光束质量为47 mm·mrad,最终达到工件表面的功率密度为3.21×105W/cm2,最大插头效率达39%。该激光光源具有直接应用在金属薄板焊接的潜力。

880nm半导体激光器列阵及光纤耦合模块

为了使半导体激光泵浦Nd∶YVO4固体激光器能获得大功率、高光束质量、线偏振的激光输出,利用PICS3D软件设计了InGaAs/GaAs应变量子阱结构,制作了发射波长为880 nm的大功率半导体激光器列阵。该激光器列阵激射区单元宽为100μm,周期为200μm,填充因子为50%,激光器列阵CS封装模块室温连续输出功率达60.8 W,光谱半高全宽(FWHM)为2.4 nm。为进一步改善大功率半导体激光器列阵的光束质量,增加半导体激光端面泵浦功率密度,采用阶梯反射镜组对880 nm大功率半导体激光器列阵进行了光束整形,利用阶梯镜金属表面反射率受近红外波长变化影响小的特点,研制出高稳定性、大功率光纤耦合模块。模块输出功率为44.9 W,光-光耦合效率达73.8%,尾纤芯径Φ为400μm,数值孔径(NA)为0.22。

808nm高亮度半导体激光器光纤耦合器件

针对单个808nm单管半导体激光器输出功率低,采用端面泵浦方式对光纤激光器进行泵浦时受到限制的问题,本文利用空间合束技术制成高亮度半导体激光器光纤耦合模块来提高808nm单管半导体激光器泵浦掺Nd3+双包层光纤激光器的效率。首先,通过微透镜对每个单管半导体激光器进行快慢轴准直;然后,使用反射棱镜对每个激光器发出的光进行空间合束;最后,利用自行设计的扩束系统将合束后的光束进行扩束,聚焦进入光纤,从而极大地提高光纤耦合模块的亮度。实验中将4只连续输出功率为5W的单管半导体激光器发出的光束耦合进芯径为105μm、数值孔径(NA)为0.2的光纤,当工作电流为5.8A时,通过光纤输出的功率为15.22W,耦合效率达到74%,亮度超过1.4MW/cm2.sr。

基于偏振复用技术的半导体激光加工光纤耦合模块

与半导体激光Bar条相比,单管半导体激光器具有光束质量好,寿命长等优点,但由于其输出功率小,故在激光加工等领域的应用受到限制。为提高单管半导体激光器的输出功率,提出了基于偏振复用技术对多个单管半导体激光器进行光纤耦合的方法。首先,将16只808nm单管半导体激光器分成两个单元,通过空间合束将每个单元上的激光器发出的光合成一路;然后,利用偏振复用技术将两个单元发出的光束再次合束,通过自行设计的聚焦系统将合束后的光束耦合进光纤实现光纤输出,从而提高了半导体激光器光纤耦合模块的功率水平。实验显示,当工作电流为5.8A时,通过芯径为200μm、数值孔径(NA)为0.2的光纤的输出功率为67 W,耦合效率达到84%。此模块在功率和光束质量方面满足激光塑料焊接等应用的要求。