可见光波段多路激光合束及闭环校正技术研究

为了实现可见光波段多路不同波长激光的周期性闭环校正,设计了一种具有光束指向和位置偏差独立监测与调节的激光合束系统。首先,根据系统的应用需求,提出了合束系统的设计指标与整体合束方案。然后,在合束方案的基础上,建立了合束系统的光束控制模型,并通过数值仿真得到了合束系统光束控制的解算方法。闭环合束系统通过光束指向和位置监测装置分别实现合束激光指向偏差与位置偏差的独立监测,并根据监测结果进行光束调节装置控制量的解算;进而通过两维摆镜和一维平移台分别实现光束指向和位置偏差的独立高效调节。最后,采用两路不同波长的激光束,配合光束监测与调节装置,搭建了闭环合束模拟实验平台,对周期性闭环合束系统的合束效果进行了验证。实验结果表明:在长时间的工作过程中,两路激光均实现了与基准光路的精密合束,合束指向精度优于±7μrad,位置精度优于±0.84 mm。本研究所组建的激光合束系统不仅具有合束精度高、校正速度快、光路扩展性强的优势,而且可实现激光束的周期性闭环校正,能够有效保证合束激光的长期工作稳定性。

非线性光学激光合束技术研究进展

回顾了非线性光学激光合束技术的发展历程,阐述了基于光学相位共轭和基于非线性放大过程的合束思想和基本原理,梳理了重叠耦合、种子注入和布里渊四波混频增强相位锁定激光合束方式的标志性成果,总结了等离子体交叉光束能量转移、金刚石拉曼放大和液体布里渊放大激光合束技术的优势和瓶颈。面向高峰值功率、高平均功率、高重复频率激光输出的实现需求,基于布里渊放大激光合束技术具备系统结构简单、功率负载高且散热效率高的优点,提出了实现单脉冲能量100 J、脉冲宽度10 ns、重复频率10 Hz合束激光输出的可行性方案。

可见光多波段激光合束系统设计

为了实现可见光波段不同波长多路激光的精密合束,设计了一套激光合束系统。通过长焦距镜头和高缩束倍率镜头配合大面阵光电探测器分别实现合束激光指向与位置的高精度、实时监测;通过高精度的角度调节平台和位置调节平台分别实现光束指向和位置监测误差的实时补偿。在完成光束指向、位置监测镜头的设计加工及精密装调后,获得位置监测装置的监测分辨率为0.054 mm,指向监测装置的监测分辨率为3.5μrad;在完成光束位置校正平台、指向校正两维摆镜、闭环控制系统合束流程的详细设计后,对合束系统的合束精度进行实验检测和误差分析。实验结果表明:合束系统短时间内针对稳定光束的合束精度为:指向6.17μrad,位置优于0.66 mm;长时间内针对缓慢漂移光束的合束精度为:指向18.46μrad,位置优于0.72 mm。因此,所设计的激光合束系统合束精度高,并且可及时对光束的漂移误差进行自动补偿,满足系统的应用要求。

大功率半导体激光合束进展

经过近30年的发展,半导体激光器已由信息器件逐步发展成为能量器件,特别是大功率高光束质量半导体激光器,已从泵浦光源过渡成为直接作用光源,并部分应用在加工及国防领域。本文介绍了大功率半导体激光单元发展现状,分析讨论了各种激光合束技术及相应的合束光源,介绍了长春光机所在激光合束方面所做的部分工作,提出了我国半导体激光产业建设及发展的几点建议,并对半导体激光技术的发展新动向进行了展望。随着单元亮度的提升和合束技术的成熟,大功率半导体激光源作为间接光源和直接作用光源将在国防和工业领域大放异彩。

半导体激光合束技术及应用

半导体激光的高效率、长寿命、小体积和轻量等优点使其具有广泛的应用前景。但受光束质量的限制，半导体激光很难作为直接光源应用在对功率、光束质量和亮度均有高要求的领域。国际上半导体激光合柬技术的发展非常迅速，千瓦量级已接近并达到全固态激光器的水平。介绍和总结了该实验组近年来在大功率半导体激光合束方面的研究进展，包括采用常规激光合束技术和新型的光栅外腔光谱合柬技术，百瓦量级实现了3-5mm·mrad光束质量输出，千瓦量级实现了光纤输出和直接输出光源，光束质量的提高使得半导体激光可作为直接光源应用于工业和国防领域，并将发挥重要作用。

激光合束光学系统气体热效应影响分析

为了分析激光合束光学系统的成像质量,本文研究了激光合束光学系统的热耦合效应。借助光学设计软件建立激光合束系统模型,基于传热学理论,根据光学系统结构及流场条件参数建立气体流体模型。根据光线追迹法编写用户自定义函数,通过数值模拟定量研究了介质气体热效应引起的波像差系数。仿真分析了气体热效应在不同时间下对激光合束光学系统的影响。结果表明,受重力影响激光合束系统热效应的旋转对称性变得不再明显,随着温度升高呈现分层变化,且非均匀热效应以低阶像差为主。将波像差系数导入光学设计软件,可实现复杂光场与热场耦合传函的定量分析,波像差劣化0.3λ,传递函数下降0.1。

激光合束技术下光学镜面激光传输损耗的特性研究

针对传统激光传输损耗特性分析方法,其激光束在远场的合束效率低,不能全面分析出光学镜面下传输损耗特性,且方法耗能较高的问题,提出激光合束技术下光学镜面激光传输损耗的特性分析方法。将各路光束合并成一束激光,射入至洁净的光学镜面内,产生极化电流,由于每一块镜面都存在大小不一的粗糙度,其粗糙度的存在致使了入射光生成辐射部分,出现在非镜面的散射方向位置上。而存在于镜面上的污染颗粒所引起的散射,利用米氏散射来表示,通过入射波和散射波,即可观察出射入光学镜面的激光传输损耗特性。经实验验证:洁净的光学镜面粗糙度小于入射波时,散射强度和粗糙度成正比,传输损耗较低。而污染镜面的散射强度和灰尘颗粒大小、个数相关,分布的越复杂,散射越明显,传输损耗越高。且相较于其他文献方法,所提方法的最高点耗能比3种文献方法的最高点耗能均值低15 W,耗能相对较低。

近零折射率材料激光合束

设计了一种基于近零折射率亚波长人工材料的激光合束器。首先介绍了合束器的基本原理、结构及其材料;然后基于渔网结构设计了合束器的构成材料,通过S参数反演法计算得到其物质参数;最后,利用所得材料参数对三束以不同角度入射的激光合束结果进行了仿真分析,并与理想平面波进行对比。结果表明:当三束激光的入射角分别为-15°、0°和10°时,合成的单束激光相对于平面波在强度为最大值1/e2处的远场发散角展宽仅为1.6 mrad。可见该方法可以成功地将多束激光合为一束,且具有理想的输出光束特性。

激光合束专利技术现状及进展

随着激光技术的日益发展,激光器已经成为现代人类生活的重要组成部分,尤其高功率激光器,其在环境监测、激光雷达、医学诊断、空间通信等领域有着重要的应用前景。激光合束技术可以有效提高激光输出功率,随着合束技术发展,其专利申请量逐年增长,该文主要从相干合束与非相干合束技术等角度概述了近年来激光合束的技术发展在专利申请方面的情况。

封闭空间内热耦合效应对激光合束传输的影响

激光在气体介质中传输时,气体吸收激光能量导致折射率变化,形成气体热效应,降低光束质量。针对这一问题,介绍了光-流-热耦合效应理论,建立了椭圆形高斯激光束的合束传输热耦合效应仿真模型。通过数值仿真分析了长方体封闭空间中由激光加热诱导的自然对流现象及流场对光束传输影响的变化过程,研究了热效应的影响因素。结果表明,气体对激光能量的吸收会导致光轴偏转,光束质量下降,远场光斑形态发生改变;封闭空间内热效应自然对流导致的光束质量下降呈先增加再减少后稳定的趋势;通过改善介质吸收和流场分布,可以有效改善气体热效应对光束质量的不利影响;合束过程中的流场分布和光束质量变化比单束光路情况下复杂。

基于折射棱镜的多波段激光合束方法

多波段激光合束技术在光电对抗领域的应用越来越受到重视,基于此提出了一种使用折射棱镜组的多波段激光合束方法,优选了牌号依次为H-ZLaF92、D-ZLaF85LS、H-ZBaF21的3种火石玻璃作为棱镜材料,通过对棱镜组的顶角值、入射角度以及位置关系的计算和仿真,设计了包含调整镜组、折射棱镜组、反射镜组和偏振滤光片的合束方案,同时利用将单一线性偏振激光束电矢量方向调整为平行于入射面的方法减小反射损耗。分析计算表明:在波长分别为550 nm、1060 nm、2000 nm情况下,入射角分别选择63.05°、61.35°、59.58°,3种材料的棱镜顶角值分别取51°、55°、60°;在光斑间距ΔX1、ΔX2分别为10 mm、20 mm的情况下,3种材料对应棱镜的远表面距离D、近表面距离d分别为289 mm、83.5 mm,366.4 mm、107.7 mm,381.6 mm、103.6 mm;在不进行光学镀膜的情况下,仅使用单一线性偏振光以布儒斯特角入射,也能够达到92.8%~97.6%的合束效率,与现有多波段合束技术相比,在成本方面有巨大的优势。

高功率高亮度半导体激光器合束进展

半导体激光器体积小、效率高,但单元输出功率低、光束质量差限制了其应用。介绍了提升半导体激光器功率及光束质量的最新进展,对各种技术途径和实验结果进行了综述报道,并具体介绍了中国科学院长春光学精密机械与物理研究所近年来在高亮度半导体激光器芯片及合束方面取得的进展。

离轴型全息衍射光学元件多波长激光合束研究

基于全息光学成像理论,提出了一种用于光纤耦合输出多波长激光的合束方法。该方法具有结构简单、合束效率高的特点。结合编程计算,设计了离轴型全息光学元件,给出了该元件的相位分布,并通过仿真软件Zemax和衍射的角谱理论对合束光束的发散角和光束质量进行了计算。结果表明,对635,808,975 nm 3种波长的光纤耦合输出激光进行合束,光束质量因子M2由23.5增加到47.9,理论效率95%。

紧凑型多路激光合扩束平台技术研究

紧凑型高精度高可靠性多路激光合束与扩束结构的设计在工程应用中具有非常大的价值。在此背景下创造性地提出一种对基准平台进行分体式铸造,将短、中、长三波段多个激光器安装于长宽高分别为1280mm、990mm、815mm的舱内小空间及具备空间位置调整的紧凑型结构设计方案。对某型激光合扩束主体结构进行了设计,同时对部分重要部件进行了有限元静力学分析。在该平台中各路激光器沿激光出射方向的角度调整量均大于±30′,平台总质量为600kg。该过渡基准平台系统在承载转台负载的前提下,其受力最大应变量为0.005mm。这表明该结构完全能够满足这种激光器的小空间合扩束及调整要求,该方法可以推广到其他光路合束结构设计中。

大功率半导体激光器合束技术在船舶焊接中的应用

船体焊接是整个船舶制造流程中最为关键的环节之一,决定着整个船舶的质量和安全性。随着船舶类型和功能的多样化,制造中对船体焊接技术的要求越来越严苛。大功率半导体激光合束技术是目前可用于焊接的新型技术,其具有高效、稳定及智能化等优点。本文将结合船体焊接流程,研究大功率半导体激光合束技术在船体焊接中的应用。

中红外半导体激光器合束技术研究进展(特邀)

中红外半导体激光器体积小、效率高,在环境检测、空间通讯及军事国防等领域具有重要的应用前景。但是中红外半导体激光器单元器件输出功率低,限制了其在以上领域的应用。激光合束技术是能够实现中红外半导体激光器功率提升的重要途径。文中详细介绍了几种用于中红外半导体激光器的合束方法及中红外半导体激光器合束方面的最新进展。

高能光纤激光器光束合成技术

高能光纤激光器光束合成技术是近年来高能激光器尤其是定向能源应用中的研究热点,可突破单根单模光纤激光的输出功率限制,为高功率高光束质量的激光武器应用奠定了理论基础。介绍了光纤激光非相干合成和相干合成的国内外研究现状,给出了非相干合成技术中光束重叠和光谱合成的基本合成原理,重点介绍了国内外多家研究机构光谱合成近年来所达到的技术水平;介绍了国内外相干合成技术的最新研究进展,对相干合成等效大口径激光阵列输出中几种不同的透射式相干合成阵列输出和反射式相干合成阵列输出的关键合成装置,以及相干合成单一孔径输出中的核心光学元件进行详细分析。最后简要对比了高能光纤激光器光束相干合成技术和非相干合成技术的优缺点和应用范围。

高功率矩形光斑激光非相干空间合束

激光表面热处理技术是进行金属材料表面强化和改性的最有效手段之一。为实现高速、柔性激光表面热处理,按照矩阵平行排列18束光纤输出的972 nm半导体激光束,通过光束准直和空间非相干合束,获得了具有矩形光斑特征的10 kW级合束激光。在理论分析准直激光束的半径、相邻光束间距与合束激光的光斑搭接率之间变化规律、采用Code V光学设计软件建立合束器结构模型及TracePro光学仿真软件模拟合束激光光斑能量分布的基础上,完成了10 kW级18×1矩形光斑激光非相干空间合束器的研制。在200 mm的合束长度内实现了具有单一矩形光斑形貌、最大合束功率10.249 kW、焦斑尺寸31 mm×11 mm、中心波长972.34 nm、谱线宽度2.27 nm的合束激光输出。

用于油井激光射孔的10 kW激光19×1空间非相干合束

激光射孔是油井完井工程领域一项具有前瞻性的技术,对提高石油资源采收率具有重要的应用价值。为提高油井激光射孔所使用的激光功率和激光传输的安全性,利用19台光纤传输972nm半导体激光器实现了10 kW级激光空间非相干合束。通过分析参与合束的准直激光束的半径、间距与合束激光的光斑重叠率之间的变化规律以及模拟合束激光横截面能量分布,完成激光空间非相干合束器的结构设计。在300mm的合束长度内实现了具有单一光束形态且最大合束功率达到10.441 kW、焦斑直径21 mm、线宽2.46 nm的空间非相干合束激光输出,合束效率达到98.2%。利用10 kW空间非相干合束激光完成了针对砂岩和钢板的地面激光射孔实验,射孔深度分别达到570mm和70mm。

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%。