高功率环形激光二极管阵列重复脉冲抽运激光器中棒的瞬态温度分布

采用光线追迹方法和有限元方法,对高功率环形激光二极管阵列(LDA)重复脉冲抽运Nd:YAG激光器中,棒的瞬态温度分布进行了详细的计算模拟,分析比较了不同抽运阶段、抽运频率及占空比的情况下棒内的瞬态温度分布。结果表明:高功率环形LDA重复脉冲抽运时,棒中心处温度随时间变化成锯齿形分布,棒内温度随抽运频率和占空比的增大而增大,最后温度随时间成周期性变化。

周期极化铌酸锂波长转换器脉冲抽运时的波形畸变

理论分析了周期性结构的LiNbO3晶体(PPLN)光波导在脉冲光抽运时的级联二阶非线性效应,并通过数值计算得到了抽运、倍频、信号及转换四个光脉冲的波形在波导中的演化。研究表明,使用脉冲光抽运时,由于抽运光脉冲与倍频光脉冲之间的群速度失配导致的走离,将使倍频光脉冲产生展宽;再通过差频转换使得转换光脉冲产生了波形畸变和峰值偏移。最后通过实验验证了转换光脉冲的波形畸变。

脉冲抽运掺镱脉冲光纤放大器理论研究

对主振荡功率放大器(MOPA)方式脉冲抽运双包层掺镱脉冲光纤放大器进行了理论研究,分析了放大中抽运脉冲、激光脉冲和拉曼斯托克斯光脉冲的相互作用过程。对增益光纤中上能级粒子数密度随抽运时间的变化进行了分析,求出了最佳抽运脉冲宽度。随着抽运功率的增加,放大过程中出现的受激拉曼效应(SRS)将抑制激光脉冲能量的增加,当采用最佳抽运功率时激光脉冲的能量可达到最大值。分析了光纤长度、纤芯直径对最佳抽运功率、激光脉冲和一级斯托克斯光脉冲的影响。结果表明,当最佳抽运功率时,采用纤芯较粗、长度较短的增益光纤,可以抑制受激拉曼效应,提高激光脉冲的能量与峰值功率。

小信号脉冲抽运时掺铒光纤自发辐射的研究

自发辐射(ASE)是掺铒光纤放大器(EDFA)的重要噪声源,对于由EDFA构成的光纤激光器有重要影响。理论与实践证明,它与抽运方式紧密相关,所以研究脉冲抽运时掺铒光纤(EDF)的自发辐射有重要的学术价值。同时,脉冲抽运对于EDFA锁模激光器的研究也有一定意义。从理论和实验两方面研究了小信号脉冲抽运时,抽运脉冲宽度和幅度对于EDF的自发辐射特性的影响,得到了小信号抽运时输出ASE噪声平均值的近似解析解。研究发现,小信号脉冲抽运时输出信号的幅度与抽运脉冲的宽度成正比。这个新现象可用于脉冲宽度的全光检测。

室温6.11mJ脉冲LD单端抽运Tm:YAG调Q激光器

由于2μm波段激光处于大气的窗口上,并且对人眼安全,因而在测风领域具有潜在的应用价值。该波段的激光器可以作为相干多普勒测风雷达和差分吸收雷达的光源。为了进行相干多普勒测风雷达光源的研究,报道了一种脉冲激光二级管(LD)单端抽运Tm:YAG调Q激光器。在实验中,采用L型平凹腔结构,利用声光Q开关实现大能量的激光输出。该激光器输出的激光中心波长为2 014.9 nm,在重复频率为100Hz情况下,调Q后获得最大单脉冲能量为6.11mJ,激光脉冲宽度为324.7ns,斜率效率为13.56%的激光输出。输出的脉冲激光的光束质量M2在x方向上为1.31,y方向上为1.35。

高功率脉冲抽运Er-Yb共掺光纤放大器的理论研究

基于速率方程理论对低重复频率高功率脉冲抽运Er-Yb共掺光纤放大器(EYDFA)进行了理论研究。通过采用有限差分法对理论模型的求解,系统分析了在放大自发辐射(ASE)受限情况下,抽运脉冲峰值功率、抽运脉宽、信号时延对放大器性能的影响。结果表明,在将ASE控制在合理范围的情况下,抽运脉冲存在一个最佳的抽运脉冲宽度,信号脉冲相对抽运脉冲的时延对输出峰值功率和脉冲能量有非常重要的影响。而且对给定的增益介质,抽运脉冲峰值功率也并非越高越好,而是存在一个最佳值。该研究结果对高功率脉冲抽运Er-Yb共掺光纤放大器的实验研究具有指导意义。

脉冲抽运被动调Q激光器脉冲间隔特性研究

采用数值模拟和实验相结合的方法对脉冲激光二极管(LD)抽运Nd:YAG被动调Q激光器输出脉冲间隔特性进行分析。从被动调Q速率方程出发,结合脉冲LD抽运的特点,考虑剩余反转粒子数密度的影响,推导出输出调Q脉冲间隔时间的计算公式。重点分析了抽运脉宽、输出镜反射率、抽运功率和Cr4+:YAG初始透射率对输出脉冲间隔时间的影响。结果表明,数值模拟与实验结果基本吻合。

高峰值功率皮秒超短脉冲抽运KTP晶体倍频研究

脉冲光纤激光器具有输出光束质量好、峰值功率高等优势,易于激发晶体内部的非线性效应。晶体非线性效应能够将光纤激光的近红外输出波段变换至深紫外或中红外等波段。利用实验室自主搭建的中心波长为1064nm,脉宽为650ps的脉冲光纤激光器抽运KTP(磷酸钛氧钾)晶体,实现了高功率超短脉冲对1064nm激光的单程倍频,输出532 nm激光。将脉冲宽度由650 ps压缩至1 ps后,抽运激光的峰值功率密度达到24.97GW/cm2,有效地将单程倍频转换效率从0.8%提高到8.4%。研究了不同平均功率、脉宽、光斑直径的超短脉冲下KTP晶体的倍频效率,验证了未来在振荡腔结构下实现KTP晶体高效倍频的可行性。

脉冲光抽运铷原子钟C场电流源分析设计

脉冲光抽运铷原子钟的稳定度会受到多种因素的影响,其中磁场就是重要的影响因素之一。分析了C场电流对脉冲光抽运铷原子钟稳定度的影响,利用差动放大器为核心设计研制了新型C场电流源。测试表明,电流源1 Hz和10 Hz处的噪声分别为3nA/Hz1/2和1.5nA/Hz1/2,电流相对起伏为2×10-5,温度漂移为5ppm/℃。它产生的C场对脉冲光抽运铷原子钟1s处稳定度的影响小于7×10-16,1ks处的影响小于1×10-16,10ks处的影响小于5.3×10-17。结果表明,该电流源的噪声、相对起伏和温度漂移等性能满足脉冲光抽运铷原子钟要求。

InSb光电导太赫兹源材料性质及辐射场研究

为了研究锑化铟(In Sb)半导体材料光电导太赫兹辐射过程,用数值计算方法分析材料内载流子迁移率和表面电流,以及不同性质抽运激光器对太赫兹波近场强度的影响,用宏观电磁场理论和微观半导体理论分析材料表面电流,比较了In Sb和Ga As材料的太赫兹波功率谱曲线。结果表明,In Sb材料载流子弛豫时间越长,载流子迁移率越大;表面电流与载流子寿命和弛豫时间成正比;宏观电磁场理论更适于分析表面电流;抽运激光饱和能量密度越大,太赫兹近场辐射强度越强;抽运激光脉冲宽度越短,太赫兹近场辐射强度越强;In Sb光电导辐射太赫兹波功率比Ga As高。该结果为基于In Sb光电导太赫兹辐射源的研究奠定了一定的基础。

基于受激布里渊散射的调Q光纤激光器研究

为了获得窄脉宽和高功率的光纤激光脉冲,对基于受激布里渊散射的脉冲抽运调Q光纤激光器进行了实验研究。设计了布喇格光纤光栅、掺Yb3+双包层光纤和单模光纤作为线性谐振腔。采用锥形光纤连接抽运模块与掺Yb3+双包层光纤实现了光纤激光器的全光纤化结构。通过脉冲抽运方式,利用光纤中的非线性效应——背向受激布里渊散射对激光进行混合调Q,得到了纳秒量级的脉冲输出,其脉宽为400ns,平均功率2.53W,重复频率15kHz。结果表明,通过脉冲抽运方式,利用光纤中的受激布里渊散射能够有效地压缩输出脉冲的线宽,实现高功率输出。

脉冲激光抽运铷原子钟研究

对脉冲激光抽运、微波分立场共振和自由感应微波辐射或者光吸收检测方案(POP)的铷原子钟进行了理论和实验研究。理论研究表明,POP原子钟,可以消除光频移,有效地减小腔牵引频移,从而有利于提高原子钟的稳定度;且微波脉冲面积为π/2时,微波Ramsey条纹的线宽为传统Ramsey条纹的一半,从而提高了原子品质因数。实验获得了POP铷原子钟的原子自感应微波辐射Ramsey信号和光学Ramsey信号,线宽分别为65 Hz和150 Hz左右;实现了原子钟原理样机的闭环锁定,短期稳定度1.2×10-12-τ1/2(τ=100 s)。

垂直外腔面发射激光器抽运脉冲的优化设计

采用脉冲抽运方式可显著改善光抽运垂直外腔面发射半导体激光器的热效应,大幅度提升激光器的输出功率。用有限元方法数值求解瞬态传热方程,得到激光器中温度升高的最大值随抽运脉冲的变化规律。讨论了抽运光脉冲宽度范围的选择,分析了抽运脉冲重复频率对激光器中温度升高最大值的影响作用,对抽运脉冲的时间宽度进行了优化设计。结果表明,对于基质去除型的InGaAs量子阱垂直外腔面发射激光器,抽运光脉冲的宽度介于1～10μs时,激光器中最大温升值即明显下降;同时,抽运脉冲的重复频率应限制在50kHz以内,以满足脉冲间隔大于激光器热弛豫时间的要求,否则激光器中会产生热量的积聚,增加最大温升值。

脉冲式半导体激光器端面抽运主振荡-功率放大器及腔外倍频系统

利用脉冲式半导体激光器(LD)具有高峰值功率的优点,通过对抽运光和基频光的模式进行匹配,构建了一台脉冲式LD抽运腔倒空结构的主振荡器和功率放大器,并对其进行了腔外倍频实验。实验结果表明,系统实现了非常紧凑的结构,脉冲式LD抽运的方式能够提高振荡器和功率放大级的能量输出,更好地消除热畸变的影响,从振荡器可以获得脉冲宽度达3.7 ns、脉冲能量约为4 mJ的基频激光脉冲输出,经功率放大和腔外倍频后,能够得到脉宽3.4 ns、脉冲能量为3.2 mJ的绿光输出,倍频效率为40%,脉冲峰值稳定性为5%(均方根值),发散角约为0.5 mrad。

国外空间原子钟发展研究

空间原子钟包括磁选态原子钟、脉冲光抽运原子钟、相干布居囚禁原子钟、离子阱原子钟和冷原子钟。文章介绍了这5类空间原子钟的发展情况,其中:磁选态原子钟是当前卫星导航系统广泛采用的空间原子钟;脉冲光抽运原子钟已经在美国GPS-3卫星上应用;相干布居囚禁原子钟是脉冲光抽运原子钟的一种特例,其优势在于体积小、质量小、功耗低;离子阱原子钟具有很高的精度,目前其天稳定度已经达到10^(-17);冷原子钟基于近绝对零度下原子的物理特性和量子光学测量技术,具有极高的准确度和稳定度,发展与应用前景广阔。分析了空间原子钟的发展趋势,如激光冷却、量子频率光学测量与环境控制,将成为空间原子钟发展的支撑性关键技术。针对我国空间原子钟的发展现状和技术水平,提出了挖掘现有原子钟潜力、瞄准原子钟前沿技术等建议。

脉冲光抽运原子钟原子相位反馈研究

在基于Ramsey作用的原子钟里,受限于原子的相干时间及晶振的相位噪声,自由演化时间不能太长。提出了大失谐光无破坏测量方法,利用该方法获取了原子相位数据,并将其反馈到微波相位上,从而实现了原子相位反馈,有效地延长了自由演化时间。分别从理论和实验上验证了这种周期性反馈作用的可行性。

正交偏振探测技术型脉冲光抽运原子钟研究进展

介绍了本课题组新概念小型化星载原子钟的研究进展。利用已有的脉冲光抽运技术和独立提出的正交偏振探测技术,将原子钟的钟跃迁信号的对比度从一般吸收法的30%提高到将近100%。该方法主要探测的是光的振幅和相位的总变化,因而能有效提高探测灵敏度和信噪比,从而提高频率稳定度。实验结果表明,正交偏振探测技术原子钟的原子频率稳定度比相同条件下吸收法原子钟的原子频率稳定度提高一个量级;而且在实验的基础上,物理系统的温度稳定度、磁场电流稳定度和激光光强稳定度都能够提高一个量级,正交偏振探测技术原子钟的秒稳能达到1×10-13,天稳能优于1×10-15,将来可能进一步发展并取代氢钟。

1064nm纳秒激光脉冲激发的外腔式PbWO_4拉曼激光器

研究了外腔式PbWO4拉曼激光器在纳秒脉冲抽运下的输出特性。利用主动调Q的Nd:YAG激光器产生的脉冲宽度为31.4ns,最大输出能量为200mJ的1064nm激光作为抽运源。拉曼激光谐振腔采用的是平凹腔设计。测量了输出的拉曼光脉宽与抽运能量的关系,分析了输出的拉曼光脉冲波形图和光谱图,测量了输出的拉曼光脉冲能量与抽运能量的关系,计算了转换效率与抽运能量的关系。当注入抽运光能量达到42mJ时,得到了一阶斯托克斯光脉冲的最大能量和转换效率分别为10mJ和24%,获得外腔式PbWO4拉曼激光器的一阶斯托克斯光脉冲波长为1177.6nm,典型的一阶斯托克斯光脉冲脉宽为20ns。

脉冲光纤放大器放大自发辐射抑制的研究进展

放大自发辐射(ASE)是影响低重复频率高峰值功率高能量脉冲光纤放大器性能的主要因素。系统综述了脉冲光纤放大器中抑制ASE的主要方法,包括滤波、优化抽运特性(抽运功率、后向抽运、抽运方式)及优化种子特性(信号功率、信号脉宽)。对各种方法的抑制效果进行了比较,发现滤波和同步脉冲抽运是抑制ASE、获得高峰值功率高能量脉冲输出的重要技术手段。

核抽运液体激光放大器模型

为了实现惯性热核聚变、工业同位素分离和一系列其他大型规划，必须有廉价的高功率激光源。核抽运脉冲激光器和激光放大器，可望成为这种辐射源，由原子核裂变能直接转换为激光辐射能。