光纤激光的频谱组束技术

频谱组束具有结构简单、便于控制等特点,是实现大功率、高质量光纤激光输出的有效手段。介绍了利用光栅、变换透镜等元件进行光纤激光频谱组束的基本结构和原理。综述了光纤激光频谱组束技术的最新进展情况,包括MOPA结构的频谱组束、三光栅结构的频谱组束和基于PTR布拉格光栅的频谱组束;比较分析了各种组束方法的优缺点。分析了当前频谱组束技术要解决的关键问题并展望了其发展前景。

基于微透镜阵的外腔谱组束系统光束质量分析

针对基于微透镜阵的光纤激光外腔谱组束系统的光束质量评价问题,利用高斯光束的传输变换理论,建立了评价谱组束激光光束质量的理论模型。通过数值模拟,详细分析了各相关参数对谱组束光束质量的影响,结果表明：在基于微透镜阵的谱组束系统中,离焦量、微透镜焦距及模场半径是影响谱组束激光光束质量的主要因素;阵列宽度对谱组束激光光束质量影响较小,阵列宽度由0增大至10mm过程中,x方向和y方向的光束质量因子分别保持在1.225和1附近,与传统谱组束系统相比,组束激光的光束质量得到明显改善;为了保证x方向的光束质量因子小于1.3,必须把离焦量控制在-0.017~0.017mm范围内,对于采用大模面积双包层光纤的组束系统,可通过适当增大微透镜阵焦距的办法改善组束激光光束质量。

光纤激光频谱组束的仿真研究

基于利用透射体布拉格光栅+准直透镜所设计的非相干组束方案,建立了光纤激光组束的理论模型。依据所建模型,对光栅的组束效果进行了分析。结果表明:最佳组束时,不同的光栅厚度须选择不同的光栅参数;随着光栅厚度的减小,满足最佳组束条件的空间频率和折射率调制将逐渐增大;在折射率调制和空间频率不变的情况下,随着光栅厚度的减小,角或谱的选择性逐渐增大;随着光束发散角和光谱宽度的增大,衍射效率逐渐减小。

基于外腔光纤激光器阵列频谱组束的耦合效率

分析了外腔高斯光束频谱组束的机理。针对Bochove推导点特征扩展系数所使用的方法繁琐问题,运用角特征的近似形式,推导了点特征的扩展系数;并基于频谱组束模型,讨论了影响耦合效率的因素。结果表明,外腔最大耦合效率时,激光器阵列应排列成开口背离传输透镜的抛物线形;当阵元的横向位移超过1.5 mm时,抛物线形排列的阵元耦合效率是相同位置直线形排列阵元耦合效率的2倍;使用外腔频谱组束,应尽量选择焦距较长的传输透镜。

重叠体光栅相干组束的耦合波分析

目前基于重叠体光栅的相干组束系统还没有完整的理论模型和参数分析,针对这个问题,本文采用耦合波理论,建立了比较完整的基于重叠体光栅的双光束组束模型,给出了各光束在重叠体光栅内传播的解析解。模型表明,基于重叠体光栅的双光束组束系统其输出光强受两入射光的振幅和位相、体光栅间的相移和折射率调制振幅、光栅厚度、失谐量等多个光学参数的影响。通过数值计算,详细分析了各光学参数对组束结果的影响。最后总结了设计高效重叠体光栅相干组束系统时必须遵循的条件,如必须对光栅厚度进行优化、各光栅的折射率调制振幅必须相同、保证失谐量足够小等。

非相干组束中反射体布拉格光栅的衍射潜力(英文)

基于耦合波理论,提出了一种推导反射体布拉格光栅衍射效率方程的新方法。在被推导的衍射效率方程基础上,获得了平面单色和高斯光束反射体布拉格光栅衍射的详细理论模型,分析了平面单色、发散单色和多色光束的衍射效率。结果表明:平面单色波的角和谱选择性随光栅厚度和空间频率而变化,角选择性的范围从低于0.01mrad到超过100mrad,谱选择性的范围从低于0.1nm到超过100nm;当光束的角发散或谱宽等于光栅的角选择或谱选择性时,光栅能提供超过88%的衍射效率;当光束的角发散或谱宽远小于光栅的角选择或谱选择性时,光栅衍射效率下降不明显,不到平面单色波的1%。

光纤激光频谱组束技术的研究进展

光纤激光频谱组束是实现大功率、高质量光纤激光输出的有效手段。综述了光纤激光频谱组束技术的最新进展情况,介绍了光栅外腔频谱组束、MOPA结构频谱组束、PTR布拉格光栅频谱组束以及二维阵列的相干和谱组束等方案的基本原理和研究现状,比较分析了各种组束方案的优缺点,最后对频谱组束发展中存在的问题进行了探讨。

改进的环形腔双包层掺Tm^(3+)光纤激光器

设计了一种改进的环形腔双包层掺Tm3+光纤激光器。通过分析准三能级系统的再吸收损耗并对比实验结果,获得了双包层掺Tm3+光纤激光器的阈值功率和热平衡时反转粒子的数量;研究了所设计的环形腔双包层Tm3+光纤激光器的稳态特性,仿真结果表明:环形腔结构下,整个光纤都处于高泵浦状态之中,且随入射功率的增加,泵浦功率增加更明显;在光纤长度不变的情况下,二色镜最佳反射率随泵浦功率的增加逐渐增大;在二色镜反射率不变的情况下,随泵浦功率的增加,最佳光纤长度逐渐增加。

外腔两束光纤激光频谱组束的实验研究

报道了外腔2个大模面积双包层Er3+/Yb3+共掺光纤激光器频谱组束的实验结果,获得了最大功率为0.80 W、组束效率高达82.5%的组束激光输出。演示和分析了光纤末端放置位置的改变、光栅的旋转对输出光谱和组束效率的影响,结果表明:当光纤末端距系统轴的位置超过某一定值时,输出光谱呈现多模;当光栅与水平面所成角度减小时,组束效率逐渐增大。

基于微透镜阵外腔的光纤激光谱组束耦合效率分析

为了克服光纤激光外腔谱组束系统中增益带宽和透镜像差对组束阵元数量的限制,在系统中加入了微透镜阵。根据光束变换理论,建立了基于微透镜阵的光纤激光外腔谱组束系统的外腔耦合效率分析模型。通过数值模拟,对各种相关参数对耦合效率的影响进行了仿真分析。结果表明:微透镜阵的加入极大提高了阵元的耦合效率和系统的组束潜力;为了获得尽可能高的耦合效率,需要对离焦量进行合理配置并设计具有较长焦距的微透镜;横向对准误差是影响耦合效率的主要因素,对于宽度为10 mm的组束光纤阵列,为保证60%以上的耦合效率,在θy≤2 mrad的同时需将横向位置偏移量δy限制在10μm以内。

光纤激光阵列相干组束中位相检测方法的研究

针对光纤激光阵列相干组束中各路光束位相的检测,提出了一种基于快速傅里叶变换的位相检测方法。该方法不需对参考光进行频移,利用各路光束与参考光束间位相变化引起的条纹图移动实现位相检测。同时,为了减小傅里叶变换过程中由于能量泄漏引入的检相误差,提出了条纹图整周期裁剪的方法,用于克服能量泄漏的影响,可有效提高傅里叶变换法的检相精度。文中详述了位相检测的基本原理,分析了能量泄漏对傅里叶变换的影响,数值计算结果表明该方法的检相误差优于光波长的1/1000,从而为光纤激光阵列的高精度位相调节奠定了基础。

多模增益光纤受激布里渊散组束中散射效果的研究(英文)

提出了在计算多模增益光纤有效受激布里渊增益系数时,以优化的高斯模场面积作为光纤有效截面积的方法,并基于光强耦合微分方程,研究了多模增益光纤稳态受激布里渊散射的效果。结果表明,无论是一阶还是二阶受激布里渊散射,随着泵浦功率的增加,残余的泵浦功率都将达到饱和,而Stokes功率都线性增加;二阶Stokes功率相对较弱;光纤的有效长度随泵浦功率的增加逐渐减小。

光纤激光的外腔谱组束和大气传输分析

采用Er3+/Yb3+共掺双包层光纤作为增益介质,实验实现了光纤激光器的调谐和三路光纤激光器的外腔谱组束,获得了光束质量因子Mx2=1.304,My2=1.151的组束激光。综合分析了外腔谱组束光纤激光在大气中传输时受到几种主要大气效应因素的影响,结果表明,在中等或弱湍流条件下,谱组束激光在5km的传输距离内,光束半径的变化不大,可以保证激光武器系统具有较好的战术应用效果。若在强湍流条件下运用,必须采用自适应光学补偿消除湍流的影响,才能保证激光武器系统的有效作战距离和传输效率。

基于体布喇格光栅的光纤激光谱组束研究进展

光热折变玻璃在紫外波段具有较好的光敏特性,并且在近红外和可见光波段具有很高的透射率,用它制作的体布喇格光栅能够承受高能激光辐照,因而特别适合应用于高功率激光技术中。综述了基于体布喇格光栅的光纤激光谱组束技术最新研究进展;阐述了体布喇格光栅的基本理论,分别介绍了基于单体光栅、级联体光栅和3维层叠复合体光栅的谱组束、共腔谱组束以及昆合组束5种组束方案的组束原理和研究进展,最后对各组束方案中存在的问题进行了讨论。

光纤激光非相干组束技术的研究进展

光纤激光非相干组束技术作为可以大幅提高光纤激光器输出功率的有效手段已经引起了越来越多的关注。当前光纤激光非相干组束研究方法为偏振组束和波长组束。尤其介绍了波长组束方面的研究进展,包括MOPA结构、三光栅结构和PTR布拉格光栅结构的波长组束。对各组束光束的性能参数进行了一定的分析对比,最后对非相干组束发展中存在的问题进行了探讨。

基于光纤平移的窄线宽可调谐Er^(3+)/Yb^(3+)共掺光纤激光器

针对输出耦合镜旋转调谐时输出光束方向变化问题,设计了一种光纤位置平移、而调谐输出光束方向不变的光纤激光器系统。运用光栅方程,分析了光纤平移的调谐机理;采用输出与反馈光束耦合模型,分析了输出增益线宽随光纤位置、光束半径的变化。理论分析表明:该光纤激光器可获得线宽小于0.2nm的调谐激光输出。实验结果表明,该激光器在波长为1543.446nm处获得的调谐输出功率最大,达到470mW,计算的斜率效率为23.9%;整个调谐区域达到36nm,调谐范围内激光的3dB线宽小于0.08nm。

基于闪耀光栅的可调谐Er^(3+)/Yb^(3+)共掺光纤激光器

报道了一种结构简单、调谐方便的宽带可调谐Er^(3+)/Yb^(3+)共掺光纤激光器。采用半导体激光二极管(LD)作为抽运源,以大模面积Er^(3+)/Yb^(3+)共掺双包层光纤为增益介质,利用闪耀光栅作为波长选择器件,实现了1550 nm波段稳定的可调谐激光输出,调谐范围达36 nm,几乎覆盖了整个荧光谱宽度。整个调谐范围内,输出激光线宽小于0.08 nm。输出功率随波长的变化而变化,在25 nm调谐范围内激光功率不低于40mW。波长为1543.86 nm时获得最大输出功率510 mW,斜率效率为26%。这种光纤激光器具有效率高、线宽窄、调谐范围大、输出稳定等优点,可用于密集波分复用(DWDM)光纤通信系统和高精度光纤传感系统。

三路Er^(3+)/Yb^(3+)共掺光纤激光器的外腔谱组束实验研究

采用激光二极管作为抽运源、大模面积Er3+/Yb3+共掺双包层光纤作为增益介质,利用闪耀光栅、傅里叶变换透镜和输出耦合镜构成外腔,进行了光纤激光器的外腔谱组束实验研究。在外腔作用下,单个光纤激光器可在38 nm波长范围内实现调谐输出,线宽小于0.08 nm。实现了三路光纤激光器的外腔谱组束,组束功率为940 mW,相应的组束效率为74.3%;水平方向光束质量因子M2x=1.320,与单束激光输出(M2x=1.204)相比略微增大;当换用较长焦距的傅里叶变换透镜时,系统组束潜力增大且光束质量得到改善。

微透镜阵在光纤激光外腔谱组束中的应用研究

提出了基于微透镜阵的光纤激光外腔谱组束方案,设计了能够对光纤阵列出射光束进行预准直的球面折射微透镜阵列。分析了组束系统的组束潜力,结果表明,所设计的组束系统能够实现12个Er3+/Yb3+共掺光纤激光器阵元的外腔谱组束。利用瑞利-索莫菲衍射积分理论,分析了微透镜对光纤出射光束的准直效果,结果表明,微透镜的实际焦距与设计参数有一定差别,准直后光束发散角仅为准直前光束发散角的2.7%,与无微透镜的组束系统相比,到达傅里叶变换透镜的光束光斑半径减小了2个数量级。

Er^(3+)/Yb^(3+)共掺双包层光纤激光器谱组束实验研究

报道了利用放置在外腔中的闪耀光栅实现两个不同长度Er^(3+)/Yb^(3+)共掺双包层光纤(EYDF)激光器谱组束的实验。外腔由两个二色镜和一个共用的部分反射镜构成,增益介质为EYDF,外腔中的变换透镜可将光纤输出端按角度定位到闪耀光栅上,闪耀光栅实现光纤激光器的模式选择。实验进行了单个EYDF激光器的调谐,在1532～1568 nm范围内获得了稳定的单模输出,激光3 dB线宽均小于0.08 nm,调谐范围约为36 nm,接近Er^(3+)的增益带宽。实现了两根长度分别为6 m和8 m的EYDF激光器的谱组束,在入纤抽运功率分别为2.6 W和4 W的条件下,获得了480 mW的谱组束输出。