一维激光阵列相干合束远场特性的研究

利用傅里叶光学方法,获得了相干合束远场光强的解析表达式,数值模拟和实验研究了一维锁相二极管激光阵列的相干合束远场特性。研究表明:随着参与合束的发光单元数目的增加,尖峰变锐;同相模的光能集中在更小的立体角内,使得相干合束的亮度增加;异相模的光束能量较为分散,其峰值光强有所降低。系统抖动引起远场峰值光强的降低,破坏了远场的对称性和光束质量。相干合束发光单元数目越多,系统抖动对远场的影响便可以忽略。

相位随机涨落对相干合束条纹对比度的影响

为了研究相位波动对相干合束远场特性的影响,采用傅里叶光学方法和各态历经假说,进行了相干合束远场干涉条纹对比度的理论分析,得到了相干条纹对比度的解析表达式,并数值分析了相位随机涨落对远场干涉条纹对比度的影响。结果表明,相干合束的远场干涉条纹对比度随η的增加而增加,随相位差均方根δφ的增加而减小;在给定η和δφ的情况下,参与相干合束的激光场的个数越多,远场干涉条纹对比度越大。这一结果对理解相干合成的特性具有一定的参考价值。

光纤激光器空间相干合束远场特性分析

基于Fraunhofer标量衍射理论,计算了按圆周形排列的6束光纤激光相干合束的远场光强分布,并对其能量集中程度进行了讨论。分析表明合成光束的远场光强分布可等效于若干平面波干涉结果与单束衍射包络之积,当单元激光器所排列的圆周直径在5倍单元激光束腰宽度以下的时候,合成光束将有超过90%的能量落在单元光束的86.5%能量圆以内。结论指出适当选择单元激光器的排列间距可以控制能量的集中程度,甚至使合成光束的能量集中度优于原单元激光器产生的高斯光束。

“smile”对一维分布光源相干合束的影响

利用傅立叶方法导出的相干光束合成的远场表达式,讨论了一维锁相二极管激光列阵的相干合成远场。对发光单元数目分别为5、9、19列阵的同相模的远场光强分布进行了计算。以19个发光单元线阵为例,讨论了存在"smile"时DLA的远场特征,研究表明:"smile"对已经具有相干性的多光束合成场远场光强的分布并无严重的影响。

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。

基于光子灯笼的976 nm半导体激光相干合束

采用具有模式转换和无损传输特性的三模非模式选择光子灯笼(PL)实现了976 nm波长的半导体激光的相干合束。相对于半导体激光常规空间孔径相干合束的方式,所提合束光场不会产生旁瓣,且能拥有较高的光束质量。通过仿真PL合束特性,搭建合束实验系统,最终976 nm波长的半导体激光基模输出功率达99.7 mW,转换效率为33.2%。实验结果表明,此合束系统实现了模式转换,使半导体激光能够以基模输出,展现了一种有潜力的半导体激光相干合束的方法。

半导体激光器相干合束技术(特邀)

大功率高光束质量半导体激光器在激光加工、激光通信、科学研究等方面有着广泛的应用,提高半导体激光器的功率和光束质量一直都是国际的研究前沿和学科热点。合束技术是提高半导体激光器输出功率最简单有效的方法。非相干合束技术提高输出功率往往以损失空间、偏振或光谱特性为代价,在对光束特性要求不高的场合应用较为成熟。相干合束技术在提高半导体激光器输出功率的同时还能提高光束质量、压窄频谱宽度,是高亮度窄线宽半导体激光技术发展的重要方向。本文简述了相干合束技术的原理及要求,从锁相技术出发,综述了半导体激光器相干合束技术近年来的发展现状,总结了主动锁相和被动锁相的优缺点,主动锁相技术采用主振荡放大结构通过相位负反馈技术实现锁相,在合束单元数量上具有优势,能获得大功率相干输出,但结构较为复杂。被动锁相技术结构简单,一般通过外腔的衍射效应或者共腔技术实现单元间的相位锁定,具备自组织锁相特点,但不易获得高功率输出。最后对半导体激光器相干合束技术的未来发展进行了展望。

基于平面光波导注入锁定技术的分布式反馈激光器阵列相干合束光源

面向芯片化空间激光通信、激光雷达等应用对高功率激光光源的需求,笔者将注入锁定到同一种子光的分布式反馈激光器(DFB激光器)阵列通过平面波导耦合器进行相干合束,解决了单个DFB激光器功率受限的问题。为了研究基于注入锁定技术的DFB激光器阵列的相干合束效果,测量了不同数目的注入锁定激光器在相干合束前后的光功率、相位噪声、相对强度噪声,通过计算得到2、3、4个DFB激光器的合束效率分别为91.6%、87.8%、78.3%,实现了相对于单个激光器的光功率放大,同时通过理论分析和实验研究了相干合束对相位噪声及相对强度噪声的影响。

二维激光阵列逆达曼光栅相干合束理论研究

采用逆达曼光栅及相位补偿原理将多束锁相相干的阵列激光合成为远场单一主瓣光束是一种实现高功率和高亮度相干合束的技术方案。以5×5和32×32二维相干激光阵列为例进行了理论模拟分析,同时分析了逆达曼光栅相干合束实验中相位板相位误差、逆达曼光栅对准误差和放置角度误差对合束效率的影响。理论分析及数值模拟计算结果表明,逆达曼光栅可用于相干激光阵列合束,但误差对相干激光阵列合束效率有较大的影响。因此,在实验中乃至发展基于逆达曼光栅的高功率激光器系统时,需要减小相位补偿板的相位加工误差,精密调节逆达曼光栅的位置,以减小误差对于合束效率的影响。

二维固体激光阵列逆达曼光栅相干合束技术模拟研究

采用逆达曼光栅将二维锁相相干的激光阵列进行相干合束并进行孔径装填是获得远场单一主瓣大功率高光束质量激光输出的一种有效技术方案,将其应用于大尺寸5×5固体激光相干阵列相干合束中,并进行了固体激光阵列合束孔径装填的理论分析和原理性验证实验,测量了系统的实际合束效率,同时进行了后焦面逆达曼光栅的加工和放置误差对合束效率影响的详细分析。实验结果表明,逆达曼光栅用于固体激光阵列相干合束是一种有效的技术方案,且可以通过调节光栅周期和傅里叶透镜焦距来适应系统对激光阵列占空比的要求。这对于开发基于逆达曼光栅相干合束的高功率高光质量的全固态激光系统具有重要的意义。

激光相干合成中单元的相位和振幅波动对合成光束远场分布的影响

运用傅里叶光学分析法推导出系统抖动造成单个光源的相位和振幅发生波动时的远场光强表达式,以1维阵列为例分析了系统抖动对远场的影响。研究表明:随着参与合束的发光单元数目的增加,尖峰变锐,能量更集中;系统抖动引起了远场峰值光强的减少,出现了本底现象,破坏了远场的对称性和光束质量;激光阵列单个光源的相位随机抖动应该控制在3π/8范围内;相干合束发光单元数目越多,系统抖动对远场的影响越小。

光学参数对激光阵列相干合束远场特性的影响

利用傅里叶光学方法,获得了相干合束远场光强的解析表达式,讨论了相位、振幅和发光单元数目等光学参数对远场光束质量的影响。研究结果表明：随着参与合束的发光单元数目的增加,尖峰变锐;同相模的光能集中在更小的立体角内,使得相干合束的亮度增加;异相模的光束能量较为分散,其峰值光强有所降低;随着振幅比β的减少,相干合束远场光强的峰值相对变化率增加,远场光强分布出现了本底现象,远场干涉条纹对比度降低。

多孔径接收相干合束系统性能研究

为了减小大气湍流引起的星地激光通信系统的性能衰落,采用基于光纤相干合束的多孔径接收方案。针对典型的星地相干激光通信模型,给出了通信系统的灵敏度和误码率随多孔径接收对湍流效应的补偿效果变化的数值仿真结果。同时基于已有的光纤合束方法搭建了一套4孔径接收的相干合束光通信接收装置,测试了2个和4个孔径下系统的锁相带宽。利用旋转相位屏模拟了不同Greenwood频率的大气湍流对光束波前的影响,保证了各路接收光强的不相干性。在此基础上,给出了相干合束前后光纤中的光强相对起伏方差。结果表明该系统能在弱湍流环境中有效地抑制光强闪烁。

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。

二极管激光光谱合束技术实验研究

为了研究基于光栅-外腔的二极管激光阵列光谱合束,利用存在离轴像差情况下耦合效率模型,数值模拟了系统各参量对耦合效率的影响,可知耦合效率随着离轴距离和横模阶次增加而下降;单个单元将被压窄至0.05nm。应用光栅-外腔实现了单条二极管激光阵列光谱合束,获得了10.1W的连续输出,斜效率为0.45W/A,慢轴方向光束质量因子M_x^2=17.6,整个阵列的光谱被展宽到15nm,单个单元的线宽被压窄到0.1nm。结果表明,光谱合束能改善二极管激光阵列的光束质量,压窄单个单元的线宽。

相干合成系统的抖动对远场的影响

为了研究相干合成系统的抖动对远场的影响,以正六边形列阵为模型,采用傅里叶光学分析法,得到了系统抖动造成单个光源引入相位差时的远场光强表达式,描绘了中心光斑能量与总能量的比值以及峰值光强随相差的变化曲线,研究了列阵中某个光源位相在不同范围内随机抖动的影响。结果表明,系统抖动引起了远场中心光斑的能量以及峰值光强的减小,远场对称性也遭到破坏;如果将系统的抖动控制在3π/8范围内,远场并不会受到较大影响。

基于陶瓷焊接的半导体激光器合束及聚焦研究

为了解决石油输送管道Al_2O_3陶瓷内衬管的连接问题,研制了专用的半导体激光光源用于陶瓷激光焊接。实验研究了陶瓷激光焊接所需要的半导体激光工艺参量及光束要求,采用单管空间合束、偏振合束、波长合束以及菲涅耳聚焦系统输出等方式,研制了光场分布均匀的半导体激光陶瓷焊接系统。结果表明,所设计半导体激光器偏振合束输出功率为384W,合束效率达到96.62%,经波长合束后输出功率可以超过800W,聚焦系统输出光斑均匀度为93.85%。该系统可以成功应用于不同场合的陶瓷焊接生产中,满足2mm厚度Al_2O_3陶瓷激光焊接要求。

利用Kagome光纤实现多芯光子晶体光纤的输出合束

多芯光纤的输出光束只能在远场和焦点附近实现良好的同相位超模合束,这种超模传输特性大大影响了多芯光纤的应用范围.一种新型中空Kagome光纤为解决这一难题提供了可行的方案,利用中空Kagome光纤可以实现七芯光纤输出模式的整形合束.本文利用中心波长800 nm的钛宝石飞秒激光作为激光源,耦合入七芯非线性光子晶体光纤,得到700 nm至1050 nm的展宽光谱,并实现同相位超模输出.随后,将非线性展宽之后的宽谱七芯光束耦合至Kagome光子晶体光纤中,从Kagome光纤输出光斑呈高斯分布的模式传输,不再演变回七芯模式,耦合效率71%.实验还进一步验证此方法适用于不同结构的多芯光纤,为多芯光纤在高功率激光等领域的应用提供了参考.

10kW矩形光斑激光空间合束器光学透镜的有限元热分析

为实现快速、柔性矩形光斑激光表面热处理,提出了一种基于空间非相干合束的10 kW矩形光斑激光合束器。同时入射该合束器的18束光纤传输的972 nm半导体激光束按照“交错式矩形”同轴排列。在构建18束激光总体热源数学模型基础上,对10 kW激光合束1000 s时间内合束器中所有光学透镜的温度分布、热变形分布和热应力分布规律进行了有限元分析研究,结合实验测量验证了合束器长期工作的安全性和可靠性。连续运转1000 s时,合束器输出的矩形合束激光的最大功率达到10.64 kW,功率不稳定性<±1.2%。研究结果可为超高功率激光空间合束系统的安全性和可靠性评估提供参考依据。

相干耦合光栅调谐光纤激光器锁定范围分析

为了对用光纤光栅调谐的光纤激光器相干耦合系统的锁定波长范围进行研究,采用光纤布喇格光栅的反射率分布函数对系统阈值进行比较的方法,得到系统的相干振荡波长应该出现在大约为两个布喇格波长平均值的地方的结果。结果表明,当两个子激光器的可调谐光纤光栅反射的布喇格波长差小到一定程度时,两个子激光器就可以实现相干锁定。