单片集成式主振荡功率放大器研究进展

单片集成式主振荡功率放大器(MOPA)具有体积小、功率大、光束质量高等优势,通过集成布拉格光栅,还能够实现窄线宽和动态单模,在倍频、泵浦、光通信和传感等领域具有重要应用价值,是近年来半导体光电子器件的研究热点。本文梳理了单片集成式MOPA的主流结构,包括锥形、脊型、布拉格光栅型和三段式MOPA,以各自的工作原理和性能特征为出发点,介绍其主要的研究方向,并结合它们各自面临的问题介绍最新的发展趋势。针对单片集成式MOPA中普遍存在的高功率下光束质量退化的问题,梳理了近年在外延层结构、腔面光学薄膜和电极设置等方面的优化设计,重点总结了单片集成式MOPA在提高光束质量及高功率、容线宽及高亮度方面的重要进展。围绕不同领域的应用需求,整理了具备高功率、窄线宽、高光束质量和高亮度等性能特征的单片集成式MOPA的研究进展,最后展望了单片集成式MOPA的发展趋势。

主振荡功率放大结构窄线宽全光纤激光器334W高功率输出

搭建了一台全光纤结构的窄线宽高功率掺镱光纤激光器。种子激光的输出功率大于40mW,线宽窄于100MHz。采用主振荡功率放大结构三级放大,主放泵浦功率为405W时得到了334W的窄线宽高功率激光输出,光光转换效率为82.4%。目前,激光器输出功率仅受限于泵浦功率,增加有效泵浦功率即有望进一步提高输出功率。

百瓦级全光纤结构单频掺铥主振荡功率放大器

报道了平均功率超过百瓦的单频掺铥全光纤结构主振荡功率放大器。使用线宽小于100kHz、中心波长为1.97μm的单频种子源进行级联放大,主放大器的斜率效率为50%。监测放大器的回光功率和光谱,没有发现受激布里渊散射以及其他非线性效应。通过增加泵浦功率,可以获得更高功率的掺铥单频放大输出。

主振荡功率放大相干合成系统的相位误差分析

在采用主振荡功率放大(MOPA)结构和外差方法实现激光器的相干合成中,由于各种因素的限制,不能保证各支路激光的相位完全一致。建立了反馈控制的相位误差分析模型,并对引起相位误差的因素进行了分析,包括电路延迟、电路输出的电压噪声、电路输出电压和相位调制器半波电压的不匹配、以及空间光路的扰动等,其中空间光路的扰动影响较大。进行了相干合成实验,当敲击分光镜时,空间光路发生变化,造成相位控制精度下降和相干合成的效果变差。

高功率准分子激光主振荡功率放大系统光学元件的稳定性

为了分析高功率准分子激光主振荡功率放大(MOPA)系统中各光学元件稳定性对靶面光斑定位精度的影响,建立了分析模型,利用分析结果指导高稳定性镜架设计以满足系统实验需求。根据高功率准分子激光MOPA系统特点,有效地简化了系统光路,建立了系统光路模型;按照系统打靶精度要求,利用三维坐标变换和光线追迹法,计算得到了系统单个光学元件稳定性对靶面光斑定位精度的影响规律;最后,对自行设计的镜架进行了稳定性测量。计算结果表明,反射镜的旋转变化和透镜垂直光轴的平移变化是影响靶面光斑定位精度的主要因素,且主放大光路中反射镜在X方向和Y方向上最大的变化范围分别不能超过0.8和1.6μrad。实际测量结果表明,设计的镜架在X方向和Y方向最大的变化范围分别为0.6和0.81μrad,满足系统实验要求。

主振荡功率放大短脉冲光纤激光系统的偏振特性研究

对自行研制的主振荡功率放大结构短脉冲双包层光纤激光系统(2W,30ps)的偏振特性进行了研究.分别研究了种子源激光和经过包层泵浦放大后输出激光在连续工作和脉冲输出情况下的偏振特性,结果表明在不加偏振控制措施情况下,系统输出为椭圆偏振光,偏振度和偏振角都容易受到光纤扰动的影响;在激光腔内加入起偏器后,输出线偏振光,偏振态相对比较稳定,但是偏振角度仍然容易受到光纤扰动的影响.实验证明:经过高功率放大后,输出激光的偏振态稳定性有一定程度的下降,在进行激光相干合成前需进一步加以控制.

国产大功率全光纤主振荡功率放大器

以国产掺Yb光纤为增益介质,利用国产泵浦源和光纤器件,构建了主振荡功率放大结构的全国产大功率全光纤激光器。在注入的最大泵浦功率为75W时,获得了52.5W,1 080nm激光的稳定输出,光-光效率为70%。实验结果表明,提高泵浦功率可获得更高的输出功率。

高功率声光调Q主振荡功率放大器

为了实现在高重复频率调Q的同时,又有好的光束质量。实验设计了激光二极管抽运的高重复频率、高功率的主功率放大(MOPA)结构激光器,激光器采用声-光调Q,主振荡功率放大+二级放大的结构。优化了主功率放大(MOPA)激光器的结构和相关参数,完成了关于高功率高重频主功率放大(MOPA)结构激光器的实验研究,并且通过合理排列光学元件在谐振腔中的位置来实现光束质量的提高,利用聚焦镜和狭缝来实现激光模式的匹配。在重复频率为50 k Hz时,实现了最高功率为51.3 W,输出脉宽为18.62 ns,光束质量为M_X^2=1.882、M_Y^2=1.971的激光输出,光-光转换效率为23.75%。在增益导引的作用下,主振荡功率放大(MOPA)激光器的输出光光束质量得到了有效的提高。

基于模式能量流法的互联电网功率振荡能量解析与主振荡路径识别

针对互联电力系统的功率振荡现象,为了能够深入剖析,构建了模式能量流函数,对互联电力系统的功率振荡进行网络模式能量的求取,并进行能量解析。在此基础上,利用所建立的基于广域量测信息的模式阵型指标,判别系统功率振荡发电机分群情况,同时根据所建立的主振荡路径判别指标对系统主振荡路径进行辨识,得到系统能量交互的主振荡路径。通过对4机两区和8机36节点算例进行仿真,验证了所提出的互联电力系统功率振荡能量解析与主振荡路径识别方法的有效性。

全球热带海表温度异常的主振荡型分析

用主振荡型分析方法对全球热带海表温度异常进行了研究，得到了传播型和驻波型的几种典型模态，指出ＥｌＮｉｎｏ／ＬａＮｉｎａ现象与这几种典型模态的组合有关，最显著的两个典型模态周期分别为准４ａ和准２ａ，周期相近的振荡还具有不同的空间型态，热带印度洋与太平洋４个Ｎｉｎｏ海区ＳＳＴＡ呈同位相的关系，主要表现于大洋中部，且峰值时间稍滞后于太平洋，大西洋情况类似，但ＳＳＴＡ强度较弱，峰值时间滞后于太平洋和印度洋。同时指出不应仅以某单一模态解释、模拟或预测ＥｌＮｉｎｏ／ＬａＮｉｎａ现象的时空演变，而应强调多模态相互作用，叠加、‘锁相’是造成事件循环的重要原因。ＥｌＮｉｎｏ／ＬａＮｉｎａ现象除以振荡传播为主要特征外，局地振荡也不应忽视。

主振荡型（POP）分析方法原理

对离散化场的时间序列，详细推导了主振荡型分析方法的两个导出量：主振荡型（ＰＯＰ）及其伴随相关型（ＡＣＰ）。通过热带太平洋ＳＳＴ距平场时间序列ＰＯＰ及相应区域８５０ｈｐａ风场ＡＣＰ的计算例子，给出了它们的实际算法。

中国东部夏季降水准两年振荡的主振荡型分析

利用中国160个测站月降水资料和NCEP/NCAR再分析月平均资料,选取中国东部夏季降水准两年振荡(TBO)分量做主振荡型分析(POP)和伴随相关分析(ACP)。结果表明:第一个POP对占东部夏季降水TBO总方差的18.2%,循环周期约为4年。实部为过渡型,振幅在1950年代中期和1980年代初期明显增大,在1980年代中后期到1990年代中期振幅的TBO特征异常显著。虚部为峰值型,在华南东部—长江流域—江淮流域有大范围的正值中心,高值中心位于长江—江淮流域,华南中西部为一负中心。虚部型振幅,1990年代中后期虚部型的振幅有明显加强。海温的伴随相关说明东部夏季降水TBO过渡型与西太平洋海温异常相对应,峰值型与赤道中东太平洋海温异常相对应。850 hPa风场异常、赤道纬向风异常和经向垂直环流异常的伴随相关显示,当POP对处于过渡型(负过渡型)时西太平洋对流旺盛(弱),南海上空有反气旋(气旋)生成。当POP对处于峰值型(负峰值型)时,赤道上Walker环流减弱(加强),经向上Hardly环流位置偏南(北),强度加强(减弱)。总之,中东太平洋海温异常与东部夏季降水TBO的传播有着密切联系,并通过海气相互作用和低纬与中高纬的相互作用来影响中国东部夏季降水TBO的传播,南北半球环流的相互作用也需要进一步探讨。

主振荡型分析在长江下游暴雨10～30天延伸期天气预报中的应用

对观测低频时间序列,详细介绍了主振荡型（POP）分析方法和原理,讨论了它在夏季长江下游暴雨10～30天延伸期天气预报中的应用.POP分析技术作为一种介于动力学模式与统计分析之间的方法,能有效地分离各种时空尺度,并识别其对应的季节内振荡（ISO）类型演变过程,从而能预测ISO未来10～30天的变化过程.

主振荡型分析及其在中期天气预报中的应用

对于5天以上的中期天气过程的演变,大气低频变化(时间尺度为10-90天)起主导作用,这种由外源强迫(非均匀加热)和大气内部动力过程共同作用产生的低频振荡的形成和传播是大气运动的基本特征之一。因此,精确地建立低频动力系统模式,对于正确地预测各类低频模态的时空演变是重要的,从而提高5—15天中期降水过程预报的准确率。 一、主振荡型分析方法 实际大气的各类主要低频波动(时间尺度为10—90天)

基于全保偏光纤结构的主振荡脉冲非线性放大系统

提出了基于全保偏光纤结构的主振荡脉冲非线性放大系统,该系统由基于半导体可饱和吸收镜锁模的直线型光纤振荡器、二级放大结构脉冲非线性光纤放大器和具有负色散的单模传导光纤的脉冲压缩器构成.通过此系统获得了中心波长为1560 nm,重复频率为200 MHz的超短激光脉冲,脉冲半高全宽为44 fs,单脉冲能量可达1 nJ.随后,使用厚度为1 mm的掺杂氧化镁的周期性极化铌酸锂晶体进行倍频工作.实验中使用各类波片、准直及聚焦透镜将放大系统输出的脉冲激光聚焦在极化周期为19.8μm的晶体位置上.通过合理调整光路并优化准直聚焦参数获得了平均功率为60 mW,中心波长为779 nm的倍频脉冲激光输出,转换效率达到30%.实验结果表明,基于全保偏光纤结构的主振荡脉冲非线性放大系统可以产生数十飞秒量级特性良好的脉冲激光.

侧面泵浦主振荡功率放大器中的光束质量提高

报道了一种利用球差补偿效应提高侧面泵浦主振荡功率放大器输出光束质量的实验装置。在理论上提出了一种新的球差补偿方法,利用正球差经过会聚透镜焦点后向负球差转化的现象,补偿下一放大级中的正球差效应。在实验上搭建了两级放大的侧面泵浦Nd:YAG主振荡功率放大器。在连续输出的情况下,从振荡级输出功率为42W、光束质量因子为1.48的种子光,经过一级放大后的功率为74W,光束质量因子恶化为1.80;继续经过二级放大后,光束质量因子提高为1.40。实验结果表明,所提出的球差补偿理论是提高激光放大过程中光束质量的有效手段。

热带太平洋风应力距平场的主振荡型分析

利用FSU(Florida State University)风应力逐月资料,运用POP方法,分析了热带太平洋地区风应力异常场结构与ENSO的联系。结果显示:纬向风应力有35、47和57月周期的传播型振荡;经向风应力有28和38月周期的传播型振荡。得到纬向、经向风应力传播型与ENSO振荡的耦合关系。同时指出,对E lN ino/La N ina这样的大尺度海气相互作用现象的时空演变,应注重多种振荡混合的作用,而不应只分析单一模态的作用。风应力异常的局地振荡对E l N ino/La N ina的影响也不应忽视。

基于映射弹性势能增量的电网主振荡路径识别

实际电网的边界波动会激起低频振荡,主振荡路径下的若干线路振荡剧烈将严重影响电网的安全稳定运行,故本文研究电网边界扰动下的主振荡路径识别方法。通过对比电力系统与弹性力学系统的相似性,将电网映射成弹性力学网络,构建映射弹性力学动态模型,以力学视角分析电网的低频振荡现象。根据受迫振动的能量转换机理,分析电力系统功率振荡时的能量转换特性。结合网络能量的交互及分布特征,建立路径振荡指标,提出一种电网主振荡路径的辨识方法。算例仿真结果证明:电力系统与弹性力学系统动态映射的合理性及主振荡路径辨识方法的有效性。本文结论有益于理解电力系统低频振荡的物理过程,且对开展相关抑制振荡措施的研究具有参考价值。