LD端面泵浦Tm:SrF_(2)电光调Q激光器

高掺杂浓度的Tm^(3+)增益介质能通过交叉弛豫过程提高激光器的量子效率,但同时也会增加能量上转换带来的损耗,从而限制激光器效率的进一步提升。对Tm:SrF_(2)晶体的荧光特性以及激光性能展开研究。在激光二极管(LD)端面泵浦下,实现最大功率2.99 W的自由运转输出,激光器的泵浦阈值为0.89 W,中心波长1851 nm,斜效率高达82.1%。采用KTP电光调Q开关演示了Tm:SrF_(2)激光器的电光调Q输出特性。在500 Hz重复频率下,获得了1.02 mJ的最大单脉冲能量,泵浦阈值为2.01 W,最短脉冲宽度为45 ns,对应峰值功率为22.67 kW。实验结果表明,基于LD泵浦的Tm:SrF_(2)激光器具有非常高的效率,有望成为中红外光学参量振荡器(OPO)和光学参量放大器(OPA)的理想泵浦源。

LD脉冲泵浦Er^(3+)/Yb^(3+):Lu_(2)Si_(2)O_(7)晶体百kHz激光器

目前1.5μm激光二极管(Laser Diode,LD)泵浦的铒镱共掺玻璃/晶体被动调Q微型激光器广泛应用于激光测距、激光雷达等领域。随着激光器输出重频的增加,玻璃面临突出的热效应问题,晶体的热导率是玻璃的10倍以上,有望能够实现比玻璃基质更高重频的激光输出。报道了一种通过LD脉冲端面泵浦Er^(3+)/Yb^(3+):Lu_(2)Si_(2)O_(7)晶体的百kHz人眼安全激光器。通过实验优化增益介质掺杂浓度和长度、泵浦光斑尺寸和调Q晶体初始透过率等实验参数,同时适当缩短脉宽,优化泵浦占空比,提高了输出重频的稳定性。最终获得了重频为100 kHz、单脉冲能量0.7μJ、脉冲宽度240 ns、光束质量M^(2)=1.61的1537 nm脉冲激光输出。实现了输出脉冲频率与泵浦的一致,保证了输出重频的稳定性,有效解决了输出重频具有随机性、不稳定、不可控等问题。

2μm可调谐全光纤脉冲激光器

本文采用光纤尾纤型马赫曾德型(MZ)结构的周期性铌酸锂(LiNbO 3)电光强度调制器进行主动调Q,设计了在环形腔结构中加入可调谐滤波器,实现了波长在1882 nm~1992 nm可调谐脉冲激光的稳定输出。调节施加在调制器上的信号频率,产生了激光器重复频率在15~70 kHz可调的脉冲激光。在重复频率为15 kHz时,泵浦功率为1 W时,获得最大单脉冲能量6.4μJ,峰值功率5.1 W。本研究具有全光纤化,波长大范围可调等优势,有助于进一步探索调Q脉冲激光的可调谐范围及其潜在应用。

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。

环境友好的近红外量子点激光器综合性教学实验设计

铅盐量子点最低量子态的多重简并及其生物毒性,严重阻碍了近红外胶体量子点相干光源的发展。该文凝练团队创新科研成果,设计了环境友好的近红外量子点激光器综合性教学实验。该实验要求学生根据行业难题自主设计并搭建实验平台,深入研究环境友好的Ag_2Se量子点的光增益特性,并以此为基础研制低阈值的单模近红外量子点激光器,具有前沿性、创新性和挑战性。实验内容与光电类专业课程关联程度高,有助于培养学生灵活运用所学知识分析、解决问题的能力。通过文献调研、方案设计、光增益特性分析和激光器研制这一完整的研发过程,可显著提高学生的科研素养和实践创新能力,为他们参与科研攻关和产品研发奠定基础。

基于新型亚微米层状结构碲化钒可饱和吸收体的纳秒锁模掺铒脉冲光纤激光器

将亚微米层状结构的碲化钒(VTe_(2))与聚乙烯醇(PVA)充分混合,制备了VTe_(2)-PVA可饱和吸收体(SA)薄膜。利用紫外分光光度计测量了其线性吸收特性,发现其在400~1800nm波段均具有良好的吸收,证明VTe_(2)-PVASA薄膜具有优异的宽带吸收特性。将制备好的VTe_(2)-PVASA薄膜置于跳线端面并接入搭建的掺铒光纤激光腔内,构建了一个全光纤结构的纳秒锁模脉冲光纤激光器。该激光器输出的锁模脉冲中心波长为1568.15nm,3dB带宽为0.639nm,脉冲宽度为4.3ns。采用掺铒光纤激光腔结构,锁模脉冲最大平均输出功率为1.123mW。实验结果表明亚微米层状结构的VTe_(2)具有作为一种低成本的新型可饱和吸收材料的潜力,为被动锁模脉冲光纤激光器的发展开辟了新的道路。

紧凑高效型百瓦级2μm棒状Tm:YAG激光器

报道了一种结构紧凑、高效率、高功率的2μm棒状Tm∶YAG激光器。通过优化设计三向激光二极管(LD)侧面泵浦激光模块,提高了晶体棒内泵浦光的功率密度。激光谐振腔采用平平腔结构,包含单个激光模块,几何腔长为88 mm,整台激光器结构简单、紧凑且体积小。激光模块通过一个水冷机进行冷却,在冷却温度为12℃条件下,获得了最高功率为119 W、波长为2.02μm的激光输出,光-光转换效率为19.6%,斜率效率达32.7%。该激光器可在最大输出功率下连续稳定运转2 h,功率波动小于1%,晶体端面及光学元件表面不结霜。实验测得x和y方向的光束质量因子分别为21.01和21.68。这种紧凑、可靠、高效的百瓦级2μm激光器对于医疗和科学研究等应用具有重要意义。

机载宽温域CO_(2)激光器温控方法

机载激光雷达是实现远距离大气精准监测的重要手段,CO_(2)激光器工作谱段与部分大气污染物和化学物质吸收谱一致,是大气监测激光雷达的重要光源。面向机载要求,在控制体积重量的条件下实现-40℃~55℃宽温域工作是机载CO_(2)激光器温控系统的设计难点。因此,本文提出一种以激光器性能和环境温度为设计输入,半导体热电制冷与强制风冷相结合的闭环温控方法。根据激光器、半导体热电制冷和强制风冷等的结构与传热特性,建立温控方法的有限元模型,基于此模型对激光器温控性能进行研究。对于55℃高温环境,温控系统工作25 min后,激光器温度控制在40℃;对于-40℃低温环境,温控系统在工作20 min后,激光器温度控制在25℃,满足激光器正常工作要求。根据激光器及建立的温控方法,开展高低温环境下激光器工作能力实验研究,采集实验过程中的激光器温度数据,测量高低温条件下激光输出能力。实验结果表明:实测激光器温度与有限元仿真温度数据基本吻合,两者误差小于10%;采用所提出的温控方法,激光器在高低温条件下可以正常工作,输出功率与室温条件下一致。

射频CO_(2)激光器在玻璃微流控芯片直写微流道探究

为探究采用射频CO_(2)激光器直写载玻片获得微流控芯片微流道的方法,通过光路仿真分析及优化获取理想光斑能量分布,并通过试验设计法研究每英寸点数(PPI)、加工速度、激光功率、加工次数等参数对微流道表面宽度和深度的影响,以及加工速度、激光功率和表面覆盖水膜对微流道加工形貌的影响。结果表明:微流道表面宽度、深度与激光功率、加工次数成线性关系;当PPI取2 000以上、速度取2 000 mm·s-1以上,且激光功率较低、加工表面干燥时,微流道表面较为平滑,崩边较少,加工质量较好。

Tm:YAP谐振泵浦Ho:YLF被动调Q激光器

本文报道了谐振泵浦连续波和被动调Q脉冲Ho:YLF激光器。首先,实现了输出波长为1940 nm的Tm:YAP连续波激光器,将其作为泵浦源对Ho:YLF激光器进行谐振泵浦。其次,以Ho:YLF晶体作为激光增益介质,实现了输出波长为2065.26 nm的Ho:YLF连续波激光器,在吸收泵浦功率为6.02 W时,获得最大输出功率为3.68 W,相应的斜率效率和光光转换效率分别为75.83%和61.10%,最后以Cr2+:ZnS晶体作为可饱和吸收体,实现了输出波长为2053 nm的Ho:YLF被动调Q脉冲激光器,在吸收泵浦功率为5.26 W时,获得最大平均输出功率1.76 W,相应的斜率效率和光光转换效率分别为43.50%和33.52%。此时脉冲宽度为46.55 ns,脉冲重频为2.56 kHz,单脉冲能量为686.7 μJ,峰值功率为14.75 kW。

LD泵浦Er^(3+)/Yb^(3+):Lu_(2)Si_(2)O_(7)晶体kHz微型激光器

目前1.5μm LD泵浦的铒镱共掺玻璃/晶体被动调Q微型激光器广泛应用于激光测距、激光雷达等领域。随着激光器输出能量和重频的增加,玻璃面临突出的热效应问题,晶体的热导率是玻璃的10倍以上,有望能够实现比玻璃基质更大脉冲能量和更高重频的激光输出。文中报道了一种采用LD脉冲端面泵浦、铒镱共掺焦硅酸镥晶体为增益介质的1537 nm被动调Q微型激光器。通过优化泵浦光斑大小、输出镜透过率与调Q晶体初始透过率相匹配,实现激光输出重频与泵浦重频一致。最终实现了输出重频为1 kHz、单脉冲能量35μJ、脉冲宽度7 ns、峰值功率为5 kW、光束质量因子M^(2)=1.33的激光输出。以及输出重频为10 kHz、单脉冲能量10μJ、脉冲宽度10 ns、峰值功率为1 kW、光束质量因子M^(2)=1.51的激光输出。结果表明,Er^(3+)/Yb^(3+):Lu_(2)Si_(2)O_(7)晶体是实现高重频1.5μm激光输出的优良介质。文中研究结果对LD脉冲端面泵浦的kHz铒镱共掺晶体被动调Q人眼安全微片激光器具有重要的参考意义。

紧凑型双路TEA CO_(2)激光器谐振腔热稳定性及补偿

通过实验和仿真的方法,研究了多点分布的内部热源加热作用对紧凑型双路TEA CO_(2)激光器谐振腔热稳定性的影响。采用直流风扇热交换抑制了高压电源的局部加热效应,通过调整热交换的效率,可在13~22℃环境温度范围内,使前后谐振腔镜受到的局部加热形变作用和环境温度引起的热胀冷缩作用基本抵消。为实现更宽温度范围的谐振腔稳定性,在有效热交换措施的基础上,根据模拟预测的形变规律,提出了谐振腔变形的角度补偿方法。使用传感器获得环境温度与设定初始环境温度的偏差,通过调整伺服电机步数实现对方位角的补偿,补偿值约0.28 step/℃,通过PZT促动器调整悬臂调谐结构末端位移,实现对俯仰角的补偿,补偿值约0.79μm/℃。

RF-CO^(2)激光器射频电源监控平台

射频电源是RF-CO^(2)激光器中的一个重要部件。在开发一个新的RF-CO^(2)激光器时,由于激光器负载和射频电源匹配失调,在调试过程中容易造成射频功放功率管击穿、烧损。为解决这一问题,设计了一套集数据采集、自动保护控制和可视化技术为一体的RF-CO^(2)激光器射频电源监控平台。平台采用软件和硬件相结合的方式,在射频电源中嵌入控制模块,搭建数据采集系统和自动保护系统,并结合电路设计软件平台完成对射频电源的数据信息采集和保护控制。经过实验测试,平台可以有效避免射频电源功率管的损坏,实现射频电源的自动保护,并完成射频电源系统的数据采集和远程保护控制,缩短了RF-CO^(2)激光器的调试周期,提高了整机的开发效率。

二极管泵浦腔内OPO高重复频率2μm激光器

概述了2μm激光器的发展状况及应用背景, 通过对2μm激光两种实现方式的比较,最终采用了可调谐方式间接获得2μm激光的方案。以1.06μm激光为泵浦源,采用二极管泵浦腔内OPO的方案能有效提高泵浦峰值功率密度,有利于实现高重复频率2μm激光输出。利用KTP晶体在特定切割角度下实现波长简并输出,合理设计OPO腔,可以有效提高2μm激光的输出效率。同时进行了激光输出实验,实现了功率11.2 W的2 m波长激光输出。

高功率TEA CO_2激光器主机结构优化设计

为促进高功率TEA CO2激光器的工程化应用,对主机结构进行了小型化轻量化研究。设计了一种新型环形流道式主机结构,取代原来的圆筒式结构。采用计算机有限元分析方法对壳体结构的应力和变形进行模拟计算,通过对2种结构在刚度、稳定性和重量方面的对比分析,以有筋板的盒式壳体取代纯盒式壳体结构,壳体设计壁厚由7mm下降到4 mm,最大变形减小了近1个数量级,由1.11 mm减小到0.126 mm。研制出的壳体实测变形与模拟计算结果最大误差仅为1.58%。经测量,新型的环形流道式主机比圆筒式主机体积减小约30%,重量减少约40%,放电区气流速度由84.8 m/s提高到97 m/s。在相同的工作参数下进行出光实验,新型主机与圆筒式主机相比,激光重复频率由400 Hz提高到了470 Hz,激光输出平均功率由6 800 W提高到7 900 W。

声光调QCO_2激光器

为满足激光测距、环境探测、空间通讯及激光与物质相互作用机理研究等领域应用要求,研制了声光调QCO2激光器。针对影响声光调QCO2激光器输出的各种因素,利用调Q脉冲激光器速率方程对该激光器输出的主要技术参数进行了理论分析和计算,提出了声光调QCO2激光器优化设计的方法,并进行了验证实验。激光器脉冲重复频率为1Hz^50 kHz,在1 kHz运转时获得的输出激光脉冲宽度为180 ns,峰值功率为4 062 W,与理论计算基本一致。结果证明:通过声光晶体(AO)的优选及谐振腔的合理设计,可实现小型CO2激光器的高重频、窄脉宽,高峰值功率输出,并可通过光栅选线的设计方式和TTL信号控制实现此类激光器的波长调谐和编码输出。

CO_2激光器在表面温度传感器响应时间测量中的应用

提出了一种利用可高频调制的高功率CO2激光作为激励源,用脉冲激光加热被校传感器,表面产生一个快速升温的变化温度信号,用高速红外探测器测得的温度信号对被校传感器进行可溯源高温动态校准的新原理。由于前者的频率响应特性优于后者,因此以前者的响应作为真值来校准后者并获取系统误差的修正值。用对CO2激光器输出10.6μm激光有良好响应的碲镉汞红外探测器对高功率CO2激光器(美国相干公司K-500型)所激发的表面温度上升时间进行了测试(为72μs,美国相干公司提供的指标为<90μs)。通过对2种热电偶的响应时间进行测试表明,该CO2激光器作为加热热源可以用来对亚毫秒量级、温度达2000℃的瞬态表面温度传感器进行校准。

脉宽可控的腔倒空射频波导CO_2激光器

为了得到脉宽可控的腔倒空射频波导CO2激光器,采用了在陶瓷板上直接开波导槽的方法,构成了多通道Z折叠主本振激光器结构,并在主振波导进行CdTe电光晶体腔内调Q。在理论上计算了加载在CdTe上的高压脉冲下降时间的长短对腔倒空激光脉冲宽度的影响,并通过对高压脉冲电源等效负载参数的调整,得到了脉冲宽度可控的高重频腔倒空激光脉冲。在20kHz,40kHz,65kHz及70kHz的重频工作下,得到了半峰全宽约30ns、峰值功率在2kW以上的腔倒空激光脉冲。结果表明,这种新型腔倒空射频波导CO2激光器满足激光外差成像雷达系统参数要求。

高功率TEA CO_2激光器控制系统设计

随着高功率TEA CO_2激光器技术的快速发展,及其在工业加工、科学研究、航空航天等领域的广泛应用,对其自身控制系统也提出了更高的性能要求。针对所研制的高功率TEA CO_2激光器,设计了一种基于DSP数字信号处理器技术的控制系统,分别从硬件、软件两方面对控制系统的核心单元做了详细的介绍;为了克服激光器在工作过程中产生的强电磁干扰,对控制系统采取了屏蔽箱体结构、电源滤波、安全接地、数字滤波、关键数据存储自恢复、抗复位干扰等设计。经过激光器长时间运行试验,控制系统工作稳定、可靠,控制响应速度快,同时满足了抗强电磁干扰的设计要求,具有很好的实用和推广价值。

CO_2激光器高压脉冲触发系统的设计

为了稳定可靠地触发CO2激光器旋转火花开关,设计了一套高压脉冲触发系统并且提出了一种新型的绝缘栅双极晶体管(IGBT)驱动与保护方法。根据CO2激光器中旋转火花开关的触发结构,应用复杂可编程逻辑器件(CPLD)芯片EPM3512开发了可以输出100～500 Hz重频脉冲信号以及单次脉冲信号的触发信号源;应用光耦HCPL-3120设计了具有过流、过压保护功能兼有电磁兼容(EMC)设计的IGBT驱动电路;对高压脉冲变压器进行建模并通过PSPICE软件仿真;搭建了实验平台,进行了联机性能测试。实验结果表明:在500 Hz的重复频率下,高压脉冲触发系统可连续稳定地输出高于38 kV的高压重频脉冲,基本满足CO2激光器的旋转火花开关稳定可靠触发的要求。