半导体激光器光束谱合成效率的分析

针对半导体激光器的光束谱合成系统结构及其特点,利用Lang-Kobayashi模型建立的速率方程,在稳态情况下,推导出单个子光束经谱合成系统后的效率公式,并进一步讨论了多个光源经谱合成系统后的合成效率及其影响因素。研究结果表明:半导体激光器经谱合成系统的效率与半导体激光器输出端面和外腔输出耦合镜的反射率的相对大小、变换透镜和望远镜系统的透过率、闪耀光栅的衍射效率以及系统的耦合效率有关;在实际工程设计中,要尽可能提高变换透镜和望远镜系统的透过率、闪耀光栅的衍射效率以及系统的耦合效率,并综合考虑系统效率和光谱稳定性的要求,对半导体激光器输出端面和输出耦合镜的反射率进行优化设计。

光栅角色散和制作误差对谱合成光束特性的影响

考虑光束的发散、光栅角色散以及光栅制作过程中存在的刻槽倾角误差,应用光线追迹方法,建立了激光束入射到光栅时相位变化的计算模型。利用衍射积分方法和光束非相干叠加原理,推导出阵列光源各子光束经谱合成系统后合成光束的光强分布解析表达式。在此基础上,利用强度二阶矩方法,计算了合成光束的M2因子,并定量分析了光栅角色散和光栅刻槽倾角误差对谱合成光束特性的影响。研究结果表明:光栅角色散和光栅刻槽倾角误差的存在均会导致谱合成光束的光束质量变差,光栅刻槽倾角误差的影响比光栅角色散的影响更为明显。

基于多层介质膜光栅的谱合成系统光束特性分析

针对多层介质膜光栅在光束谱合成系统中的应用,利用光线追迹方法,建立了基于多层介质膜光栅的谱合成系统光传输模型.多层介质膜光栅引入的相位调制包括浮雕表面上光程差与浮雕结构光程差两部分,且受到光栅槽深、占空比和光束入射角等因素的影响.利用衍射积分方法和光束非相干叠加原理,计算模拟了基于多层介质膜光栅的谱合成系统的合成光束光强分布.在此基础上,利用强度二阶矩方法分析了合成光束的光束质量,并讨论了多层介质膜光栅的槽深、占空比和制作误差等因素对合成光束特性的影响.结果表明:改变多层介质膜光栅的槽深和占空比以及中心光束入射角会影响合成光束能量,但不会影响合成光束的光束质量,合成光束的光束质量始终保持与单个子光束的光束质量相当;多层介质膜光栅的制作误差对合成光束的光束质量和能量均存在明显影响.

高功率、高光束质量光束谱合成理论及关键技术

光束谱合成技术具有可对大量发光单元进行独立调制、不要求精确的波长和相位控制、技术实现较为简单、合成光束在近场和远场均保持重叠的独特优势,是获得高光束质量、高功率激光输出的有效途径之一.该技术不仅可以广泛地应用于光纤激光器和半导体激光器阵列的光束合成,还可进一步将经谱合成后的半导体激光器阵列作为固体激光器和光纤激光器的泵浦源.在军事和民用上有着广泛的应用前景,不仅可用于远距离高分辨率探测成像,还可用于星载或机载远距离超高分辨率成像遥感观测、行星表面形貌的精确测绘、宇宙空间星际物质探测,以及在环境、气象等方面的连续观察和目标监测.

谱合成光束特性的模拟分析

建立了光束谱合成的传输模型.应用光线追迹方法,将闪耀光栅引起的相位变化用槽间光程差和槽内光程差来表示,建立了光束倾斜入射到光栅时相位变化的计算模型.利用衍射积分方法,给出了阵列光源各子光束经谱合成系统后输出光场的解析表达式.依据光束非相干叠加的原理,计算得到合成光束的光强分布.在此基础上,利用强度二阶矩方法,分别计算了阵列光束和合成光束的M2因子,并定量分析了谱合成系统参数对合成光束特性的影响.研究结果表明:通过谱合成系统合成光束的M2因子与单个子光束的M2因子相近;随着变换透镜焦距的增加,各子光束中心波长的间距减小,从而使合成光束谱宽减小;阵列单元的封装误差对合成光束的光强分布影响相对较小,而整个阵列的对准误差则对合成光束的光强分布存在明显影响.

掺Yb光纤激光器阵列谱合成系统的光束传输模型及光束特性分析

建立了由掺Yb光纤激光器阵列、变换透镜、闪耀光栅和输出耦合镜组成的光束谱合成系统的光束传输模型.在考虑光栅角色散、光栅刻槽倾角误差和光栅衍射效率情况下,利用光线追迹法、衍射积分方法、光束非相干叠加原理和强度二阶矩方法,推导出高斯光束非平行倾斜入射到闪耀光栅的相位变化公式以及谱合成光束的光强分布解析表达式.分析了高斯光束非平行倾斜入射到光栅后,光栅角色散、光栅衍射效率和光栅刻槽倾角误差对掺Yb光纤激光器谱合成系统输出光束特性的影响.研究结果表明,谱合成光束具有与单根光纤激光器几乎相同的光束质量;光栅角色散对合成光束特性的影响可忽略;随着光栅刻槽倾角误差的增大,谱合成光束的光束质量明显变差;当光栅刻槽倾角误差较大时,必须考虑光栅衍射效率对合成光束特性的影响.