可重构相干纳米激光阵列

纳米激光是一种新型的微型化激光,其尺寸在三个维度上都接近或小于其激射波长(对于可见光波段,激射波长约为数百纳米)。在空间维度上,纳米激光将光场限制在一个极小的区域内,实现了光场的空间极端局域化。这种局域化光场的构建不仅使纳米激光具备小体积、低能耗和快速度等特性,同时也为在强受限体系下研究光与物质相互作用开辟了新的途径。

全光纤激光阵列主动相位控制技术研究进展

全光纤激光阵列主动相位控制利用全光纤网络实现阵列激光的活塞相位内部探测与控制,具有结构紧凑、无需外部反馈光学器件和易于扩展等优点,是大阵元规模光纤激光相干合成重要发展方向之一。采用全光纤相位探测结构,介绍了全光纤激光阵列主动相位控制技术的系统原理和利用光纤耦合器实现相位锁定的过程,总结了全光纤激光阵列主动相位控制关键技术,通过优化算法实现全光纤激光阵列主动相位控制验证实验。探讨了在全光纤结构主动相位控制中π相位模糊问题及解决方法,给出了利用双波长探测实现消除π相位模糊问题的仿真结果。最后梳理了全光纤激光阵列主动相位控制研究现状,并从路数扩展、功率提升和应用等方面进行了展望。

半导体激光阵列谱合束系统中光束串扰物理机制分析

在外腔反馈半导体激光谱合束系统中,由于半导体激光阵列的“smile”效应、外腔中光学元件制作误差等因素,激光阵列一子单元发射光束经过外腔返回注入其他子单元,在两子单元之间形成光束串扰并影响合束特性.本文从耦合腔光束谐振角度出发,基于光反馈半导体激光器速率方程,构建了耦合腔谐振模型,推导了激光器稳态输出时能在耦合腔中起振的光束模式.结合耦合腔模式竞争机制与耦合腔谐振模型分析由两子单元间距变化引起的不同串扰对锁定光谱和合束效率的影响.结果表明子单元间的串扰行为会造成光谱峰值下降、光谱偏移、边缘毛刺以及合束效率劣化.相比距离更远的两子单元之间的高阶串扰,距离更近的两子单元间的低阶串扰对合束特性的劣化程度更大.最后,为证明该模型的正确性和有效性,对所得分析结果进行了实验验证,实验观测到在串扰影响下的光谱结构与理论分析一致.

利用Gyrator正则变换实现环形激光阵列的Talbot效应

本文对环形激光阵列的Talbot效应进行了研究,利用Gyrator正则变换推导了极坐标下环形激光阵列的Talbot效应和自成像条件,并进一步分析了其在分数Talbot距离处的成像规律.通过FDTD Solutions软件对环形激光阵列在分数Talbot距离处的空间分布、相位分布进行模拟,得到与理论计算相一致的结果.通过与一维激光阵列分数Talbot效应的空间分布、相位分布情况进行对比分析,环形激光阵列可有效消除一维激光阵列的Talbot边缘效应,获得等光强分布的Talbot自再现像,扩展了Talbot效应在环形激光相干阵列锁相的应用.

二极管激光阵列在Talbot外腔中同相模的选择

从理论和实验上对二极管激光阵列在Talbot外腔中的锁相进行了研究。在同相模和异相模近场分布的基础上,利用1维情况下的菲涅耳衍射公式计算了其远场分布。根据同相模和异相模在Talbot腔中的分布特性,采用1/2 Talbot腔并将外腔镜倾斜一个角度α的方法既能选择同相模,又能使模式的功率损耗最小。二极管激光阵列芯片采用CD金刚石材料,“三明治”结构对其进行封装,明显地减小了阵列的“smile”效应。在实验中实现了二极管激光阵列同相模的锁相输出,远场单瓣模的半高全宽为0.11 mm。

探针扫描法快速测量半导体激光阵列Smile效应

为克服传统光学方法测量半导体激光阵列(LDA)Smile效应时存在的光学系统搭建精度要求高、测试人员素质要求高、后期数据处理繁杂测量时间长等缺点,通过用机械接触式台阶仪的探针扫描焊接后LDA芯片N面的方式,快速测量LDA的Smile效应,并将之与传统光学方法测量的Smile效应进行对比。结果表明,两者形态完全一致,差别小于1μm。用台阶仪测量LDA Smile效应耗时小于1 min。此方法能为芯片焊接工艺优化Smile效应提供快速反馈,可方便集成在大批量生产流水线中对LDA的Smile效应进行实时监测。

激光阵列用于改善声表面波信噪比的数值研究

为了改善激光超声检测中声表面波的信噪比,利用对激光线源进行时间和空间上的调制获得激光阵列作为激励源辐照铝板表面,采用有限元法分别模拟了大位移幅值声表面波(巨声表面波)的激发以及巨声表面波与铝板表面矩形缺陷相互作用的过程。结果表明,激光阵列经过时间调制后辐照铝材料上激发出的声表面波,其垂直于表面方向的位移幅值与阵列中线源个数成线性比例;且巨声表面波与表面缺陷作用后所产生的反射回波的位移幅值也随着线源个数的增多得到明显增大。模拟结果对在激光超声检测中应用激光阵列提高声表面波的信噪比提供了理论依据。

半导体激光阵列“Smile”效应下快轴准直镜的装调

针对3种典型"Smile"形态的半导体激光阵列(LDA)如何装调快轴准直镜的问题,开展"Smile"条件下快轴准直实验定量研究。利用光纤近场扫描法和最小二乘法获得LDA的"Smile"值,采用Zemax非序列模式,模拟"Smile"下LDA的快轴准直。结果表明,LDA的"Smile"大小及形态分布影响准直镜装调位置,透镜光轴需要与LDA匹配,否则会造成光束质量的劣化。这为实际掌握LDA的快轴准直安装提供一种思路,为进一步集成高功率高光束质量的大功率半导体激光器提供了理论和实验基础。

高功率半导体激光阵列的高温特性机理

高峰值功率半导体激光阵列在高温工作条件中的应用需求日益凸显,本文以微通道封装的高峰值功率960 nm半导体激光阵列为研究对象,通过精密控温系统测试了其在10~80℃范围内峰值功率、电光转换效率、工作电压和光谱等一系列光电特性,结合理论分析,给出不同温度下电光转化效率的能量损耗分布。结果表明,工作温度从10℃升高到80℃后,电光转化效率从63.95%下降到47.68%,其中载流子泄漏损耗占比从1.93%上升到14.85%,是导致电光转换效率下降的主要因素。该研究对高峰值功率半导体激光器阵列在高温应用和激光芯片设计方面具有重要的指导意义。

基于光纤耦合的光纤激光阵列像差探测

提出了一种基于光纤耦合的光纤激光阵列像差探测方法,介绍了其结构和波前复原过程,采用数值仿真模拟其复原湍流像差的过程,并进行了7单元自适应光纤准直器(AFOC)阵列复原静态像差的实验。仿真结果表明,本文提出的波前传感方法能够有效复原出湍流畸变波前,且对于不同单元数的六边形排布阵列,存在不同的最优复原阶数。阵列填充因子的降低会增大复原残差,填充因子大于0.8可保证复原残差RMS相较于填充因子为1时的增幅不超过10%。实验结果表明,利用填充因子为0.875的7单元AFOC阵列,复原以离焦为主的低阶像差时,初始畸变波前RMS为0.433μm,复原残差小于0.075μm。仿真和实验结果验证了本文提出的基于光纤耦合的光纤激光阵列像差探测方法的有效性。该技术有望在激光阵列大气传输及湍流校正等系统中得到进一步应用。

采用多波长光束组合改善二极管激光阵列的光束质量

基于多波长光束组合技术,利用光栅的衍射和外腔的反馈,将二极管阵列的发光单元锁定在不同的波长上,相邻单元的出射光波长有微小的差异。从外腔耦合镜输出近似平行的光束,其光束质量等同于单个发光单元的光束质量,而组合光束亮度随着组合光束个数定标放大。实验中采用发光单元宽度为100μm、填充因子为0.5、由49个单元构成的1 cm阵列获得功率为2.39 W的输出光束,其光谱宽度为27 nm,远场光斑的直径为0.08 mm,对应的远场发散角为1.2 mrad,其光束质量因子约为28,与单个发光单元的光束质量相当。

高功率准连续半导体激光阵列中应变对独立发光点性能的影响

为了解决阵列中每个发光点性能分布不均的问题,研究了微通道水冷封装的960nm半导体激光器阵列,阵列包含38个发光点,腔长为2mm,在驱动电流为600A、占空比为10%的条件下,输出的峰值功率达到665.6 W,电光转换效率为63.8%,中心波长为959.5nm.通过对应力的理论分析,给出了各个发光点应变的表达式;通过搭建单点测试系统获得阵列中每个发光点的阈值电流、斜率效率、光谱和功率等光电特性;结合应变理论分析可知,器件中发光点的性能与应变大小和类型密切相关,压应变会导致器件波长蓝移、阈值电流降低、功率和斜率效率升高,张应变会导致波长红移、阈值电流升高、功率和斜率效率降低.研究表明,影响器件内部发光点的性能不仅与热效应有关,而且与封装后残余的应变密切相关,通过应力的分布可以预测阵列性能的变化规律,可为高峰值功率、高可靠性的半导体激光阵列的研制提供参考.

两维网格空间耦合激光阵列的时空混沌同步

通过数值模拟对两维3×3单模Nd:YAG激光网格阵列的动力学行为进行了研究。阵列中的激光束在光场中通过空间的局部耦合产生相互作用,可以通过对激光参数设置进行调节。数值研究表明,在一个相对较小区域的参数范围内,当任两台激光之间的空间耦合作用距离一定时,相应的激光束的强度之间可以实现混沌同步,并且具有特点:处于次对角线或与其平行对角线的对应位置上激光都可以实现混沌同步状态。通过对该激光阵列的功率谱和李雅普诺夫指数的计算和分析,可以确信所研究的强度同步的激光系统处于混沌状态。

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。

高功率二极管激光阵列输出光谱特性的改善

采用体布拉格光栅(VBG)外腔来压窄并稳定二极管激光阵列(DLA)输出光束的频谱。实验结果表明:在VBG波长锁定前后,DLA输出光束的光谱宽度由1.7 nm减小到0.4 nm,压窄的光谱不随注入电流的增大发生明显变化,不随热沉的温度升高而明显漂移。VBG波长锁定后在注入电流为35 A时,输出功率为15.12 W,功率损耗约2%。

提高二极管激光阵列外腔锁相效率的实验研究

采用1/4 Talbot外腔实现宽条二极管激光阵列的锁相,在工作电流是35 A时,获得7.56 W的锁相输出功率,输出光束的远场图像是多瓣结构,锁相前后输出光的光谱宽度从2.0 nm压缩到0.2 nm。腔内插入焦距大约为5倍腔长的柱透镜,在相同电流下获得8.75 W的锁相输出功率,输出光的远场图像是多瓣结构,输出超模的数目有所减少,能量向中部集中,输出光的光谱宽度是0.2 nm。

用于移动式激光通信的微型激光阵列器件

文中提出了一种微型半导体激光器和光电探测器混合激光阵列器件 ,采用MOEMS(微光机电系统 )技术进行集成 ,基于该阵列器件的激光通信系统具有结构简单 ,体积小 ,可自动跟踪目标实现移动通信的特点。并具体设计制作了完整样机 ,讨论了基于此器件的自动应答激光通信系统的结构和工作原理。实验研究表明

用于激光阵列发生器的非n×n型Danmmann光栅研制

为实现激光阵列发生器点阵列任意排布,研制了一种非n×n型达曼(Danmmann)光栅。本文以严格耦合波分析理论为基础,设计了一种衍射效率较高的4台阶非n×n型Dammann光栅,采用快速傅里叶变换算法进行了优化。运用Virtual Lab仿真软件进行模拟,形成两行强度均匀的点光斑,排布方式为第一行为4个,第二行为3个,总衍射效率为93.30%,不均匀性小于5%。通过电子束光刻直写进行变剂量曝光制作抗蚀剂掩模,并采用反应离子刻蚀技术以石英为基底制作出了非n×n型Danmmann光栅。通过扫描电子显微镜测得了光栅面型,并分析了光栅表面粗糙度,根据反应离子刻蚀过程中射频功率、工作气压及气体流量3种工艺参数对表面粗糙度的影响程度,确定光栅了制备工艺的最优参数组合。结果表明:当射频功率为110 W,工作气压为1×10^(-3)Pa,气体流量为35 m L/min时,光栅的表面粗糙度值最佳,值为23.45 nm。

光纤激光阵列自组织相干合成的性能研究

研究了基于倏逝波耦合的自组织相干合成激光阵列。应用静态"本征模/超模"理论推导阵列模式;通过数值方法考察阵列激光系统的动态特性进而分析输出功率的稳定性、阵列的扩展能力和阵列模式;并对两种方法得到的阵列模式进行了比较分析。结果表明:输出功率的稳定性以及输出功率的大小受阵列的锁相性能和阵元间的相位差影响;随着激光单元数目的增加,阵列总输出功率会非线性增大。通过跟踪各个阵元的相位变化并考察阵列模式的近场和远场特性,初步验证了37单元阵列的相干合成,随着阵元数目的增加,中心阵元与其邻近层阵元的振幅差会逐渐减小。

半导体激光阵列合束技术的研究

综述了几种典型的半导体激光阵列合束方法,介绍了近年来半导体激光光束合成的最新进展,分析了各种合成方法的技术特点,总结了半导体激光阵列合束技术的发展趋势。研究发现光谱合束技术的输出光束光强分布不随阵列单元数而变化,且在远场和近场均能保持较好的叠加,大大提高了远场光束的亮度,有望成为未来半导体激光光束合成的重要发展方向。