200W双谐振腔组合单向输出准连续绿光激光器

研究了最大平均输出功率达206W的高功率准连续绿光激光器.利用ABCD定律及高斯光束在腔内的自再现条件,分析了激光晶体热透镜效应及热致双折射效应对谐振腔稳定性和输出光束质量的影响.实验中将两个型号相同的LD侧面泵浦激光模块分别置于一个平-凹V型谐振腔和一个平-凹直腔内,形成两束稳定运转的1064nm基频光,经过声光Q开关和倍频晶体后,产生两束倍频光,均到达平面折叠镜,最终由平面折叠镜单向重叠输出.当激光模块的泵浦电流为50A,声光调Q的重复频率为22.4kHz时,最大平均输出功率为206W,最大单脉冲能量为9.2mJ,脉冲宽度为201ns,峰值功率为45.8kW的532nm绿光输出,倍频效率达到60.2%.激光器2h工作的功率不稳定度优于2.5%.

光纤激光阵列占空比对相干合成效果影响分析

根据弗琅和费衍射理论,建立了19路、37路和91路光纤激光相干合成模型,仿真模拟了不同占空比情况下,大阵列合成光束在远场的强度分布和光束质量,分析了占空比排布与合成路数对远场光束质量的影响。仿真结果表明,随着光纤阵列占空比的下降,远场艾里斑内的光强逐渐减小,合成效果变差;反之,远场艾里斑内的光强逐渐增大,合成光束远场能量集中度增强,光束质量变好。因此,提高相干合成的效果,必须提高光束阵列的占空比。

高功率激光装置实现CBET研究所需的四色光输出

2021年8月美国NIF实现了1.3 MJ聚变放能的里程碑,其中,交叉光束能量转移(CBET)是实现该放能的关键要素之一。利用CBET可补偿黑腔腰部驱动、缓解外环背散压力,从而改善黑腔内的驱动对称性,因此掌握和应用CBET技术具有重要意义。国际上目前仅美国开展了CBET所需的四色激光打靶技术研究,国内尚未开展实验研究。在高功率固体激光装置上实现四色光打靶需要解决四色激光产生、传输、放大、幅频效应抑制和高效三倍频等问题。近期,中物院激光聚变研究中心激光技术研究团队通过重构前端系统架构、抑制多色激光工作下的幅频效应、改进主放宽光谱下的增益模型、对三倍频晶体匹配角进行波长跟随等实现了激光装置四色光输出。形成的四色光打靶能力已成功应用于交叉光束能量转移实验研究。

聚偏二氟乙烯晶体的电子结构和光学性质

利用含Tkatchenko-Scheffler(TS)色散修正的密度泛函理论的第一性原理方法对九种聚偏二氟乙烯(PVDF)晶相的电子结构和光学性质进行了计算.结果表明,PVDF晶体作为一种绝缘体,能带具有密集且平直等特征,其带隙值在6.05-7.34 eV之间,且和实验值接近.价带主要是F原子的2s和2p态起主要贡献,导带主要由C原子的2p态和H原子的1s态共同参与构成.在0-35 eV光子能量范围内,介电函数、吸收率、反射率和折射率等光学性质发生变化主要在深紫外区域.根据介电函数等光学参数的谱特点,可以将九种PVDF的晶相划分为{Ip},{IIpu},{IIau,IIad,IIpd,IIIpu},{IIIau,IIIad,IIIpd}等四类,每一类都具有相似的光学参数特点.

提高平行发射方式相干合成效率

从傅里叶变换光学的相关理论出发,提出了一种适合提高平行发射方式下的相干合成效率的方法。并依据激光光学的知识,通过数值模拟计算该方法对激光相干合成效率的影响。以平行发射系统和透镜系统作参考,发现对各光束赋初始相位的方法可以提高平行发射系统的合成效率,并且其极限值为对应透镜系统的合成效率。不同的赋初始相位值对合成效率的影响结果各不相同,通过对比,找到了最好的赋初始相位值方案。

光纤啁啾脉冲时域相干合成技术研究新进展

脉冲时域相干合成技术主要通过对功率放大后的高重频脉冲序列进行时序合成,从而降低激光的重复频率,有效地提升输出脉冲的峰值功率与能量,避免放大过程中高峰值功率引起的非线性效应。该技术与空域相干合成相结合,能够突破单纤激光的性能极限,实现高能量、高平均功率和高峰值功率的超短脉冲激光输出,具有广阔的应用前景。介绍了超短脉冲光纤激光时域相干合成的基本原理和关键技术,综述了时域相干合成系统的发展历程及其关键技术的研究现状,重点介绍了近年来脉冲分割放大与脉冲相干堆积技术的研究进展,并对时域相干合成的不同技术路线进行了分析与比较,最后对其未来的发展方向进行了梳理,为相关领域的研究提供参考。

相位控制残差对激光阵列合成的影响

在激光阵列相干合成中,由于相位噪声的影响和相位控制系统带宽的限制,相位控制残差无法避免。文中从理论上推导了存在相位残差时激光阵列相干合成中远场光强分布,并结合光束传输因子BPF(beam propagation factor)作为合成效果的评价标准,分析了相位残差对相干合成的影响。

激光相干合成效率的影响因子模拟探究

主要从激光光学的相关理论出发,通过数值模拟的方法,计算激光相干合成的远场光强分布。文中对不同大小的正方形、正六边形、圆形阵列排布,在不同的距离上的合成效率进行了计算、分析和比较。结果表明,正六边形的合成效率是最高的,而正方形与圆形的合成效率相近。可以通过增加光束数的途径提高合成效率,但当光束数已经很大的情况下,效果不明显,但增大阵列可以减缓合成效率随传播距离而下降的速度。

皮秒脉冲固体激光对乳猪皮肤组织的气化效应

目的探索1 064 nm波长皮秒（ps）脉冲Nd：YAG激光对乳猪皮肤组织的气化效应及气化区周围的热凝固效应。方法使用脉宽30 ps,频率10 Hz,最大单脉冲能量100 m J的1 064 nm脉冲Nd：YAG激光照射离体乳猪皮肤组织,按照单脉冲能量0、20、40、60、80 m J和100 m J,每次辐照时间分别为2、5 s和10 s进行分组,组合形成18组激光剂量,每组3个标本。使用超景深显微镜即时观察记录气化区深度及宽度。取受照皮肤组织制作组织切片,HE染色,显微镜下观察测量气化区外围凝固区宽度。根据所得数据绘制单脉冲能量及辐照时间与气化区宽度、深度及凝固区宽度的量效关系曲线,分析其作用规律及临床意义。结果气化区直径为740.66~1 455.32（1 168.85±188.57）μm,气化区深度106.44~1 314.80（412.16±289.84）μm;凝固区宽度65.35~238.73（141.10±47.68）μm。结论 1 064 nm波长30 ps脉宽Nd：YAG激光对乳猪皮肤组织有较强的气化作用,且气化作用的效应程度与单脉冲能量和每次辐照时间呈正相关趋势。用该激光气化目标皮肤组织时,对健康组织热凝固效应可控制在百微米级范围。

980nm连续激光在金属医疗器械表面高效灭菌的实验研究

目的探讨980 nm红外连续激光对金属医疗器械表面高效灭菌的功率和时间阈值关系。方法采用人工污染实验法,以无菌钢制手术刀为载体,用金黄色葡萄球菌和大肠杆菌分别进行污染,经不同功率、对应不同辐照时间的激光消毒灭菌后用细菌培养基清洗刀片采样,采用增菌培养来检测红外激光对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的灭活情况。结果 980 nm激光在5.24 W时辐照29 s,6.87 W时辐照24 s,8.33 W时辐照14 s,10.11 W时辐照14 s都能彻底杀死金黄色葡萄球菌;980 nm激光在5.24 W时辐照22 s,6.87 W时辐照12 s,8.33 W时辐照11 s,10.11 W时辐照9 s都能彻底杀死大肠杆菌。大肠杆菌比金黄色葡萄球菌更易灭活。依据实验数据拟合,在同一激光功率下,两种细菌存活率与辐照时间的函数符合一阶反应动力学形式。结论 980 nm红外激光能够实现金属医疗器械表面的快速消毒灭菌,并且功率越高则时间越短、效果越好。

4路光纤超短脉冲阵列光程相位自适应控制

飞秒光纤相干合成技术有望突破单纤的指标限制,实现高平均功率高峰值功率飞秒激光输出。与窄线宽连续激光和长脉冲激光相比,超短脉冲具有频谱宽与相干长度短的特点,其相干合成要求光程差控制精度达到μm量级。目前光程差控制方法主要是使用压电陶瓷相位调制器(FS)同时控制光程差与相位噪声。由于FS及其驱动电源的响应带宽有限,高功率多路合成时难以有效抑制高频的相位噪声。

基于Gires⁃Tournois干涉腔实现短脉冲时域相干合成

基于光纤激光相干放大网络的高能高功率激光驱动器是未来重要的发展方向,具有广阔的应用前景。相干合成在高功率光纤飞秒光学频率梳、非线性脉冲压缩以及阿秒光学等领域中有潜在的应用价值。短脉冲相干合成技术总体上分为空域、频域以及时域相干合成技术。其中,时域相干合成的技术路线主要有三种,分别是脉冲分割-放大、增强腔与脉冲相干堆积技术。2023年德国耶拿大学利用多维合成技术(16路空域与8个脉冲分割-放大时域相干合成),实现了单脉冲能量为32 mJ的超快光纤激光输出。

变增益随机并行梯度下降算法及其在相干合成中的应用

将一种改进的变增益系数自适应随机并行梯度下降(SPGD)控制算法应用到大阵列光纤激光相干合成中,计算不同增益系数对算法收敛速度的影响程度,分析判断该方法的控制带宽、控制时间与合成光束质量、合成路数的关系以及其应用于大规模阵列相干合成的可行性。计算结果显示,在7束光纤激光相干合成中,该方法由于采用了变增益系数的控制策略,相比于传统的固定增益系数SPGD算法,具有收敛速度快、控制带宽高、适用于多组束光纤激光相干合成等优点。将该方法应用在37束、91束和100束光纤激光阵列锁相中,也得到了快速的收敛效果,采用自适应SPGD算法分别将收敛速率提高了37.8%、63.8%和75.0%,说明该方法在合成路数较大时优势更加明显,进一步表明其具备向大阵列光束相干合成扩展的潜力。

基于液晶光调制器的激光相干合成主动相位控制

在激光器阵列的相干合成技术中,并联主振荡功率放大器(MOPA)方案最关键的技术是对相干合成中的光路进行相位探测与控制。采用外差法,通过实时探测和校正光路中相位的变化,能够确保输出光束相位一致。相位调制器采用液晶相位调制器,主振荡激光器的波长为532 nm,输出功率0～6 W连续可调。外差法系统的移频量为40 MHz,相位控制精度优于λ/7。在闭环控制过程中,液晶相位控制器较好地实现了信号光路的相位控制。

倾斜相差对大阵列光纤相干合成的影响与分析

根据夫琅禾费衍射理论,建立了7路和37路光纤激光相干光束合成(CBC)模型,仿真模拟了不同占空比、不同倾斜角度情况下,合成光束在远场的强度分布和光束质量,分析了倾斜角度、占空比以及合成路数对CBC远场光束质量的影响。仿真结果表明:随着子光束倾斜角度的增大,远场艾里斑内的光强逐渐减小,合成效果变差;随着合成子束的增多,远场桶中功率(PIB)随倾斜角度的增大下降加快,显示出了倾斜相差随合成路数增加具有一定的累积效应,要提高相干合成的效果,必须同时控制倾斜相差和活塞相差。

黑索金电子结构和光学性质的第一性原理研究

利用基于密度泛函理论的第一性原理方法对黑索金晶体的电子结构和光学性质进行了计算.结果表明:黑索金是能隙值为3.43eV的绝缘体,价带主要由C,N和O的2s与2p态构成,而导带主要由N-2p和O-2p态构成;静态介电函数ε1(0)=1.38,介电常数的虚部有5个峰值,其中最大峰值在光子能量4.59eV处,并对造成这些峰值的可能的电子跃迁做了详细分析.利用能带结构和态密度分析了黑索金的光反射系数、吸收系数及能量损失函数等光学性质,发现黑索金是对光吸收、反射及能量损失不敏感的材料.

5 kW窄线宽全纤化单模光纤放大器

光谱合成、相干合成等光束合成技术是目前突破单纤功率限制、提升光纤激光输出功率的有效途径,其中高光束质量、高功率窄线宽光纤激光作为合成的子束一直是国内外研究的热点。目前,窄线宽光纤激光器输出功率的提升受限于受激布里渊散射(SBS)、受激拉曼散射(SRS)和模式不稳定性(MI)等非线性效应,5 kW以上的近衍射极限窄线宽光纤激光的输出在国内尚未有报道。

5.1 kW光电控一体式单模光纤激光器

高品质、高功率单模光纤激光广泛应用于工业加工领域和国防工业领域。在光纤激光器输出功率不断提升的背景下,为了实现高功率光纤激光器的优质光束质量和高稳定性输出,一键开机式光纤激光器一直是研究热点之一。目前,受限于受激拉曼散射(SRS)效应和模式不稳定性(MI),国际上仅IPG公司成功研发了型号为YLS-5000-SM的5kW单模光纤激光器,国内5kW以上的近衍射极限光纤激光的输出鲜有报道。

基于偏振调控的脉冲时域相干分割合成技术

介绍了基于偏振调控的脉冲时域分割-相干合成技术的原理,并设计了短脉冲时域相干合成系统,搭建了实验研究平台。利用偏振分束器、延迟线和波片将重复频率为10 MHz,脉冲宽度1 ns的每个脉冲在时间上分割成4个子脉冲,子脉冲间隔2 ns,再经过类似的偏振分束器、延迟线和波片装置进行重新组合。通过对子脉冲的偏振调控并优化分割脉冲幅度分布,实验实现了四脉冲时域相干合成,合成效率达到95.65%。

基于中心掺杂的3.5 kW窄线宽光纤激光器

目前,进一步提升光纤激光器的输出功率的有效方案是光束合成,主要包括相干合成和光谱合成。而光束合成要求激光子束具有窄线宽、高功率、高光束质量的特性。随着输出功率的提升,窄线宽光纤激光器受到受激布里渊散射(SBS)、受激拉曼散射(SRS)和模式不稳定性(MI)的限制越来越明显。