热效应作用下高功率薄片涡旋激光器的模场结构

激光介质热效应引起的谐振腔模场结构变化成为高功率涡旋激光器的一个关键问题.本文建立了环形光泵浦薄片激光晶体的温度场及热形变计算模型,将热效应像差作为谐振腔衍射积分方程的微扰,研究热效应对激光器模场结构的影响规律.具体研究了Nd:YAG,Nd:YLF和Nd:YVO_(4)薄片涡旋激光器的模场结构随泵浦功率、晶体吸收系数、晶体厚度的变化规律.研究结果表明,热效应使涡旋激光器模谱产生径向展宽,模式纯净度下降.泵浦功率越大,高阶径向模式占比越大,模场结构越复杂.泵浦功率升高时,Nd:YVO_(4)激光器的模谱展宽最大,Nd:YAG激光器的模谱展宽最小.晶体吸收系数越大,模谱展宽越严重;激光晶体厚度减小时,模谱展宽呈增宽趋势.

长波段半导体激光泵浦光纤激光器实现2 kW功率输出

半导体激光(LD)泵浦的高功率光纤激光器具有效率高、体积小、重量轻、稳定性好等优点,在工业加工等诸多领域都有着广泛的应用。为了提高泵浦光吸收率,传统光纤激光器常用915 nm和976 nm波段的LD作为激光的泵浦源。在该类LD泵浦的光纤激光器中,由于量子亏损和泵浦吸收系数相对较高,光纤激光器的热致模式不稳定(TMI)阈值相对较低。为了提高量子效率和潜在的TMI阈值,提出采用大于1010 nm波段的LD直接泵浦光纤激光器,产生高量子效率激光。搭建了振荡放大一体化的全光纤激光器,采用总泵浦功率为2.56 kW的1010 nm波段LD泵浦,首次获得输出功率2.05 kW、光束质量M^(2)约1.7的激光。后续将通过进一步增大泵浦功率、优化光纤特性以实现更高功率、更优光束质量的光纤激光输出。

固体激光器涡旋光束产生实验系统设计与实现

高质量的涡旋光束在量子信息、激光雷达、激光通信等领域有着广泛的应用前景。为了用固体激光器直接产生涡旋光束,该文基于谐振腔模式与激光介质作用的速率方程,阐述了在二极管端面泵浦固体激光器中通过环形光泵浦产生拉盖尔-高斯涡旋光的原理。设计了环形光泵浦固体激光器产生涡旋光的实验方案并搭建了实验系统。实验产生了角向阶次为1阶、2阶的涡旋光束,相位涡旋手性可通过微调谐振腔输出镜调节。该实验能够使学生利用固体激光器直接产生涡旋光束并观察涡旋光束的相位特性,有助于学生加深对激光谐振腔模式理论及涡旋光束相位特性的理解,为相关专业学生的课程教学提供有力支撑。

利用非线性损耗提升全固态单频激光器输出功率研究进展(特邀)

全固态单频连续波激光器因其噪声低、线宽窄、光束质量好、功率稳定性高等优点已经被广泛应用于产生非经典光场、冷原子物理研究、引力波探测等诸多领域。随着科学技术的不断发展,传统的全固态激光器的输出功率已经不能满足前沿领域的需求,因此亟需在保持全固态激光器整体性能的同时进一步提升激光器的输出功率。为此首先需要更高的泵浦功率,而这将使激光器内部增益提高,在腔内损耗不变的情况下,原非振荡模式也将满足起振条件,从而使激光器在跳模或多模状态下运转。此外,激光晶体的热效应和损伤阈值也限制了输出功率的提高。本文介绍了一种利用非线性损耗大幅度提升全固态单频连续波激光器的输出功率的技术和方法。通过在谐振腔中引入非线性损耗,使主模经受的非线性损耗是次模的一半。在模式竞争的作用下,谐振腔内的模式被更进一步的选择,从而允许全固态单频激光器在更高的增益下保持单纵模运转。通过在谐振腔内插入多块增益晶体可以有效缓解由于激光增益晶体热效应的限制,从而实现更高功率的单频激光输出。目前高功率全固态连续波激光器的输出功率已经达到了一百瓦的量级,且还在进一步提高。通过在谐振腔内引入非线性损耗,全固态单频连续波激光器的整体性能在得以保障和提高的同时,其应用范围也得到了进一步的推广。

通信激光器及其调制技术研究进展

在光通信领域,激光器及其调制带宽、调制速率对无线光通信至关重要。对半导体激光器信号的调制方式主要有内调制和外调制两种。这两种调制技术具有各自的特点,适用于光纤通信中的不同领域,都是当前重要的研究热点。内调制激光器又称为直接调制激光器,因其具有高速传输以及低成本的特点,成为目前应用在第五代移动通信技术(5G)前传和数据中心中的高性价比光源。而外调制激光器不存在光源附加的Chirp,所以可以有效地克服光纤色散造成的复合二次差拍(CSB)失真。文章在回顾通信激光器及其调制技术发展历程的基础上,介绍了西安理工大学在该领域所做的工作以及取得的主要进展。针对半导体激光器发生非线性失真的内外因素进行讨论,仿真响应特性各参数、线性化补偿方法以及功率控制系统对光发射器件输出光源的作用,并分析了温度的起伏对激光器和调制器件输出功率产生的影响。采用折射率椭球基本理论和数值分析,分别在纵向和横向调制下,讨论出射光强随温度的变化趋势。结果表明,纵向调制下出射光光强随温度的变化趋势只与铌酸锂(LN)晶体折射率的变化有关;横向调制下出射光光强随温度的变化趋势不仅要受到晶体折射率的影响,还要受到晶体尺寸及其膨胀系数的影响,因此可以利用特殊尺寸的晶体来提高电光调制器的温度稳定性。

混沌光纤激光器偏振分量的动力学特性

实验利用光纤的非线性克尔效应在掺铒光纤激光器中实现混沌激光的输出,详细研究了泵浦电流和偏振态等因素对系统输出的影响,分别对混沌光纤激光器偏振分量的输出功率,动态演变、互相关特性及光谱等动力学特性进行了详细分析。结果表明,混沌光纤激光器及其偏振分量的输出功率随泵浦电流的变化呈线性关系。随着泵浦电流的增加,混沌激光偏振分量历经周期、混沌和自脉冲的输出状态,与混沌激光器输出的动态演变步调一致。不同偏振态下,混沌激光偏振分量同样可实现从周期到混沌脉冲串的动态演变过程,偏振分量之间的相关性与系统的输出状态密切相关。实验对不同泵浦电流的光谱进行了分析,光谱的形状不随激光器输出的不同状态而改变,其中心波长基本保持不变。实验结果对研究新型偏振可控光纤激光器及多路光纤传感等应用提供了一种新思路,该工作对于探索混沌光纤激光器偏振分量的非线性动力学特性具有重要意义。

封装工艺对半导体激光器偏振特性的影响

研究了封装工艺对半导体激光器偏振度的影响,包括封装结构、热沉材料、焊料组分、焊料厚度、烧结压力以及烧结温度等方面。通过对功率25W、波长976nm单管半导体激光器封装工艺进行优化,实现了该半导体激光器应力匹配封装,进而提高了其偏振度。研究结果表明,在金锡焊料厚度6~8μm、金锡焊料中金组分77%~79%、烧结温度320℃、烧结压力50gf(1gf=9.8mN)、预热时间10s、降温速率6℃/s等工艺条件下,该半导体激光器横电(TE)模式偏振度测试值达到97.9%~98.6%。

可应用于光纤激光器的高稳定度泵浦源系统研制

为了提升光纤激光器的输出性能,研制了一个高稳定度泵浦源系统,包括激光泵浦模块和外围控制系统。泵浦源系统测试结果表明,输出光功率与驱动电流之间具有良好的线性关系,输出光功率的短期稳定度为0.0613%,长期稳定度为0.1080%,而且输出光谱的中心波长在长时间持续运行中稳定不变。将该泵浦源系统应用于光纤激光器,经过连续测试,输出光谱的中心波长仅发生4 pm的偏移。

垂直腔面发射激光器阵列的热设计研究进展

垂直腔面发射激光器(VCSEL)通常采用由小尺寸发光单元并联的2维阵列结构来提高输出光功率、改善激光光束质量,然而随着芯片尺寸不断缩小以及阵列集成度不断提高,由VCSEL单元自身功耗引起的自加热效应及各单元之间的热耦合效应将导致VCSEL阵列结温急剧上升,在热-光-电反馈作用下,将严重制约VCSEL阵列的光学性能及热可靠性,对VCSEL阵列热设计提出了迫切要求。在阐明VCSEL阵列产热机理的基础上,从热-光-电模型建立、热设计方法两方面归纳总结了VCSEL阵列热设计最新进展,并对热设计发展趋势进行了展望。

内置温控多模耦合半导体激光器研究

随着半导体激光光源在通信、探测等领域应用的不断扩展,常规多模半导体光纤耦合模块功率温度特性不能满足使用需求,因此有必要研制高稳定性多模耦合半导体激光器。研制了一种内置温控的多模耦合半导体激光器。针对器件的封装耦合进行了光纤耦合设计和散热设计,并对制作的器件的光电参数进行了测试,重点测试了宽温范围内的输出功率与功率变化率。测试结果表明:光纤芯径为105μm、数值孔径(NA)为0.22时,室温下光纤输出功率大于3.1 W,耦合效率达到94%以上;在温度范围-45~70℃内,典型温度点下输出功率变化率低于1%。该内置温控多模耦合半导体激光器的研制为半导体激光器在泵浦领域的进一步应用提供了技术参考。

LD端面抽运Z型腔的Nd∶GdVO_(4)激光器稳定性研究

为了提升半导体激光二极管端面抽运Z型腔固体激光器的稳定性,以Nd∶GdVO_(4)固体激光器为例,采用数值模拟的方法,在考虑晶体热透镜效应的情况下,研究了Z型谐振腔的臂长、镜片曲率半径等参数对高斯光束的影响,得到了晶体热透镜焦距随抽运光功率变化的关系曲线、谐振腔稳定性随热透镜焦距变化的关系曲线、以及高斯光束束腰半径随谐振腔分臂长和镜片曲率半径变化的关系曲线,并绘制了高斯光束的轮廓曲线。结果表明,适当选取Z型腔的分臂参数可在晶体主平面和后端镜处获得较小的束腰尺寸。本研究结果可对Z型固体激光器谐振腔的搭建提供理论参考及依据。

高功率掺镱光纤激光器的非线性效应和研究进展

高功率掺镱光纤激光器在精密加工、国防、科研等领域有重要的应用价值,然而随着功率的提升,光纤内部的非线性效应开始凸显。在此,详细分析了受激布里渊散射(SBS)、受激拉曼散射(SRS)、非线性折射率、横模不稳定(TMI)等非线性效应的产生过程,并提出抑制方法。另外,从光纤振荡器和主振荡功率放大器两个角度,简述了近几年学者们在抑制非线性效应基础上不断提升掺镱光纤激光器输出功率的研究进展。目前,全光纤结构的掺镱振荡器输出功率达到8kW;单纤主振荡功率放大器激光系统输出功率已突破20kW。

应用于半导体激光器的高精度温控系统设计

面向半导体激光器温控系统的高精度、高速与高集成化的需求,设计了一款高精度、快速响应、高集成化、低成本的数模混合架构温控系统。该系统以FPGA为控制核心,硬件部分包括由三线制惠斯通电桥、仪表放大器、模数转换器组成的温度信号采集与调理模块,全桥降压电路驱动模块,热电制冷器模块等。针对热敏电阻和电桥的非线性误差,提出了一种可变控温零点的温度信号调理方法,该方法基于迭代与多目标最优化算法,提高了控温精度,同时降低了仪表放大器与模数转换器的指标要求,从而降低了系统成本。针对温度滞后大、延迟高的特点,控温策略采用了抗饱和积分的PID(AWPID)自动控制方法,从而降低超调,加快收敛速度。测试结果表明,该温控系统在-45~75℃的温度范围内,实现了±0.02℃的控温精度,相较于固定控温零点的温控系统最大0.1951℃的控温精度提高了89.7%。与传统PID控制算法相比,AWPID控制算法将超调从9.13%降低到1.5%,将稳定时间从41 s降低到30 s。稳定性测试表明,该温控系统能够在长时间内保持±0.02℃的控温精度,满足稳定性要求。该系统具有高精度、快速响应、高集成化、低成本的特点,为半导体激光器的复杂应用场景提供了高精度的温度保障。

半导体激光器驱动器的SPICE仿真及其在气体传感系统的应用

为了提高激光器的工作可靠性和稳定性,借助TINA-SPICE软件对其驱动电路进行辅助设计,并通过电调制和光电检测系统实验检验设计效果。对驱动器的恒流输出电路的幅频特性和瞬态响应进行仿真,预测潜在的电流振荡现象,并提出一种用于补偿环路增益的易用方案。通过对比补偿前后的仿真曲线,验证了该方案的可行性。在此基础上,以STM32H743作为中央处理核心,通过触摸屏图形化设置和监测驱动电流参数,从而调度激光器驱动电路的运行。在296 K环境温度下,利用该电路进行半导体激光器电调制特性实验,通过拟合波长与电流得到调制系数为0.045 cm-1/mA。进一步地,将该控制器引入基于红外光谱吸收技术的气体传感系统,完成了对甲烷气体的定量分析。分析结果表明,所设计的电路能稳定地驱动激光器并实现对波长的精准调制,获得的气体传感系统的检测下限低于8 ppm。

595 nm脉冲染料激光器治疗婴幼儿浅表血管瘤的临床疗效及影响因素分析

目的:回顾性研究Vbeam 595 nm脉冲染料激光器(PDL)治疗婴幼儿血管瘤(IHs)中期临床效果,分析探索其可能的影响因素。方法:收集2020年1月至2022年12月唐山市妇幼保健院行PDL治疗的219例IHs患儿,并至少随访6个月,分析治疗效果与月龄、血管瘤部位、厚度及治疗次数等之间的关系。结果:219例患儿总体中位月龄7个月,平均月龄(4~10)个月,总计219处病损。月龄、病损特征等一般资料在性别间差异无统计学意义(P>0.05)。治疗总体有效率92.7%,中位治疗次数3次,平均(2~4)次。男女性别间比较、治疗次数及治疗结局差异无统计学意义(P>0.05)。疗效差的6人,月龄13(8,19)个月;疗效一般的10人,月龄13(8,14)个月;疗效好的31人,月龄8(4,10)个月;疗效优的172人,月龄6(4,9)个月;不同疗效患儿间月龄差异具有统计学意义(Z=24.863,P<0.001),疗效优的患儿月龄较小。血管瘤患儿的治疗结局与其病变厚度、面积大小及治疗次数有相关性(r=-0.32、-0.46、-0.46,P<0.05),治疗有效主要集中在2~4次的治疗中。治疗引起的不良反应为皮肤红斑,总体半年后残留并发症率为5.48%。结论:595 nm PDL联合动态冷却装置(DCD)治疗为IHs提供了一种安全、有效的治疗方式,在早期对IHs进行干预,可以提高治疗效果,减少治疗疗程,从而进一步减少相应并发症可能。

1116 nm单频脉冲Nd∶YAG激光器

针对共振荧光测风雷达的探测需求,设计和研制了种子注入的Nd∶YAG电光调Q单频1116 nm脉冲激光器,采用带偏置电压反馈的扫描-触发谐振探测技术,建立了1116 nm单纵模振荡,并对中心频率稳定性进行分析。最终实现输出1116 nm激光单脉冲能量6.48 mJ,重复频率60 Hz,输出线宽为33.2 MHZ,脉冲宽度为75.7 ns。通过波长计测量输出光波长,波长稳定在1116.2979 nm附近。利用外差拍频,测定120 min中心频率稳定性(均方根)为818.3 kHz。该激光器输出光通过三倍频可变换至372 nm,作为铁共振荧光多普勒测风激光雷达的发射光源,频率抖动量对应的风速测量误差小于1 m/s。

连续光纤激光器水松纸激光打孔工艺研究

水松纸激光打孔是香烟降焦的有效手段。本文对水松纸激光打孔设备的光学参数进行理论分析,分析表明,旋转多棱镜分光是水松纸打孔设备的最佳分光方式。利用连续光纤激光对水松纸打孔设备进行改造并工艺试验,对不同加工参数下的光纤激光水松纸打孔的效果进行研究,分析影响水松纸打孔质量的关键因素。对不同工艺参数下加工的水松纸纸带进行透气度测量,结果表明,连续光纤激光水松纸打孔透气度与稳定性满足卷烟对水松纸加工要求,验证了连续光纤激光作为水松纸打孔设备光源的可行性。

高功率半导体激光器阵列质量检测

高功率半导体激光器具有广泛的应用前景,然而,激光器的可靠性制约着其发展和应用。文章将半导体激光器的失效归类为封装工艺的缺陷、导热基板性能的限制、热沉设计存在的问题和腔面退化等不同的失效模式,对引起失效的原因和机理进行分析和探讨。根据统计结果,可以看出焊接工艺的缺陷、铟焊料的电迁移、散热基板的低导热率和腔面污染等因素产生的局部高温是造成器件失效的主要原因,从而改进封装工艺,提高激光器的可靠性。

高性能锑化物中红外半导体激光器的研究进展

半导体材料体系经历了3次重要迭代,在微电子、通信、人工智能、碳中和等重要领域得到了广泛应用。随着高新技术的快速发展,锑化物半导体作为最具发展前景的第4代半导体材料之一,在开发下一代高性能、小体积、低功耗、低成本的红外光电器件领域具有独特的优势和广阔的应用前景。综述了锑化物半导体激光器的发展过程和国内外的研究现状,分析了器件结构设计、材料外延、模式选择、波长扩展等关键问题,阐述了采用分子束外延技术生长高性能锑化物量子阱激光器,实现大功率、单模、高光束质量的锑化物激光器的设计方案和关键工艺技术,并对兼具低成本、高成品率、大功率等优异特性的单模锑化物激光器的研究前景进行了展望。

流道结构对半导体泵浦流动铷蒸气激光器特性影响

为研究气体流道结构对半导体泵浦流动碱金属蒸气激光器(FDPAL)输出性能的影响,本文结合FDPAL中气体传热、流体力学和激光动力学过程建立了FDPAL理论模型,以侧面泵浦Rb蒸气FDPAL(Rb-FDPAL)为仿真对象,分析气体流动方向、流道横截面积和流道形状等对Rb-FDPAL输出性能的影响。结果表明,采用横流方式,通过提高流道横截面积并将气体流道与蒸气池连接部位设置为砌体结构时,蒸气内涡流得到有效抑制,气体流速增加,蒸气池内热效应更小,Rb-FDPAL的激光输出功率和斜率效率更高,仿真结果与实验相符。