基于双光栅的光纤激光光谱合成关键技术研究进展(特邀)

基于双多层电介质膜(MLD)光栅色散补偿构型设计的光谱合成激光器(SBC)既实现了多路光纤激光高光束质量共孔径合束输出,又降低了单路光纤激光的线宽要求,逐渐成为多纤光谱合成的重要技术途径之一。介绍了基于双MLD光栅光谱合成的基本原理,简要分析了其涉及的关键技术。回顾了高功率可合成窄线宽光纤激光器、高功率高效率短波长光纤激光器、大色散高衍射效率MLD光栅和高集成度密集组束等主要关键技术的研究进展。介绍了中国工程物理研究院应用电子学研究所在基于双MLD光栅光谱合成关键技术研究方面的最新研究进展。对双MLD光栅光谱合成光源的发展潜力进行了展望。

高功率半导体激光器光纤耦合实验研究

为进一步提高光纤耦合半导体激光器的输出功率,提出了一种多单管半导体激光器通过台阶分布、光束精密准直及自由空间合束实现高功率光纤耦合输出的方法,该方法具有结构简单、光学元件易于加工、耦合效率高等优点。采用这种方法对5只封装在次热沉上的单管半导体激光器开展了芯径100μm、数值孔径0.22多模光纤的耦合实验研究,当工作电流为7.0 A时,光纤连续输出功率为21.8 W,亮度为1.83 MW/(cm^2·sr),耦合效率为70.32%。

基于mini-bar的二极管激光器焊接实验研究

半导体激光器封装工艺过程对于激光器的输出特性、寿命等性能有重要影响,其中焊料的选择和焊接工艺是最关键的因素。采用半自动焊接系统将mini-bar芯片通过In焊料直接焊接在Cu热沉上,并通过硬件改进、软件优化、放缓成像过程等措施实现了高精度、高可靠性的焊接。通过对激光器的性能测试发现,其焊接功率稳定,焊接精度均值可达20μm,"smile"效应值可以控制在0.5μm。

kW级全光纤激光器理论与实验研究

基于主振荡功率放大结构设计了kW级全光纤激光器,对激光器的功率分布及输出、弯曲选模以及冷却条件下增益光纤的热分布进行了数值模拟分析。搭建了所设计的全光纤激光器,在注入总泵浦功率1436W时,实验获得了1060W高功率连续激光输出,光光转换效率73.8%,光束质量因子小于1.6。初步分析了导致激光器实验输出与理论设计二者偏差的原因。

高效紧凑室温Yb:YAG 板条全固态激光技术研究

报道了高效紧凑室温Yb:YAG板条全固态激光研究进展。建立了室温Yb板条激光动力学模型,分析了泵浦激光通量和注入激光亮度与光光效率的关系,以及板条边缘效应抑制方法。实验获得了输出功率22.3 kW、光光效率36%和光束质量优于2.4倍衍射极限的激光输出,为更高功率的Yb板条激光关键技术研究及开发小型化、轻量化、实用化的高功率激光器奠定了基础。

高功率二极管激光器Au80Sn20焊料焊接实验研究

半导体激光器封装工艺过程对于激光器的输出特性、寿命等性能有重要影响,其中焊料的选择和焊接工艺是最关键的因素。本文采用磁控溅射的方法,在WCu热沉上制备了Au80Sn20合金焊料,取代了传统的In焊料,并对焊接工艺进行了改进。国外沉积的和我们制备的Au80Sn20合金焊料焊接DL芯片后的性能参数很接近。充分说明双靶分层溅射镀膜可以实现二极管激光器的封装要求,从而为优化半导体激光器制备工艺和提高半导体激光器的性能奠定基础。

高亮度蓝光半导体激光光纤耦合实验研究

高功率蓝光半导体激光可广泛应用于高反射高导电材料的加工中。阐述了一种高效紧凑的高功率高亮度蓝光半导体激光光纤耦合的实现方法,将27只蓝光单管组成3×9阵列并耦合进100μm/NA0.2的光纤中。研制出的光纤耦合模块可实现450 nm波段蓝光LD输出,功率约75 W,电光效率约28%,还可采用偏振合束进一步提升光纤耦合激光功率。

基于横向热流抑制的半导体激光芯片封装实验研究

为降低半导体激光芯片的慢轴远场发散角,提高其慢轴方向的光束质量,设计了横向热流抑制的封装结构。利用热沉间的物理隔离,削弱了半导体激光芯片慢轴方向上的温度梯度,有效降低了半导体激光芯片慢轴方向的发散角。采用热分析模拟了不同封装结构下芯片发光区的温度分布,并对波长915 nm的窄条宽半导体激光芯片进行封装。实验结果表明,在工作电流15 A,封装在隔离槽长4 mm,脊宽120μm刻槽热沉上的芯片,其慢轴远场发散角由12.25°降低至10.49°,相应的光参量积(BPP)由5.344 mm·mrad降低至4.5763 mm·mrad,慢轴方向亮度提升了约5.5%。实验结果表明,横向热流抑制的封装结构可以有效地削弱半导体激光芯片慢轴方向上由热透镜效应引起的高阶模激射,从而降低其慢轴远场发散角。

边发射半导体激光器光纤耦合技术研究进展

随着半导体材料生长工艺和封装技术等的快速发展,高功率、高亮度半导体激光器的性能不断提升,使之在工业加工、生物医疗、国防以及作为光纤和固体激光器泵浦源等方面有着重要作用。近些年来,边发射半导体的功率和光束质量的提升,使得耦合到光纤的输出功率不断提高。单管光纤耦合逐渐从毫瓦级输出发展到数十瓦输出,通过偏振、光谱、空间等合束技术,甚至达到数百瓦的输出。在叠阵或多线阵光纤耦合方面,也实现了从数十瓦级输出发展到数十千瓦级输出。从单管、线阵和叠阵三种半导体激光器出发,对半导体激光器发展现状、技术进行了调研分析,对光纤耦合半导体激光器的多种整形、合束和耦合技术进行了总结和展望。

10W级主控振荡放大半导体激光芯片封装实验研究

结温升高是影响主控振荡放大(MOPA)半导体激光芯片输出功率的重要因素,为解决MOPA芯片的多电极封装和高效散热问题,提出了一种正装和热扩散辅助次热沉相结合的封装结构。建立了该封装结构的3D热模型,对比研究了倒装封装结构、正装无辅助次热沉结构与正装有辅助次热沉结构对MOPA半导体激光器结温的影响。计算结果表明,采用正装有辅助次热沉结构与倒装封装结构散热性能接近,且显著优于正装无辅助次热沉结构,结温降低幅度最高可达40%。另外,采用正装有辅助次热沉封装结构的MOPA半导体激光芯片在连续工作条件下输出功率为10.5 W,谱宽可实现半高全宽小于0.1 nm,中心波长随电流的变化约14 pm/A,实现了10 W级MOPA芯片的封装,验证了该封装结构的有效性。

激光雷达电力巡线点云自动分类方法研究

针对机载激光雷达电力巡线的三维点云,设计一种全自动的电线、电塔和地面点云分类方法,为输电系统净空排查提供必需的前提。方法的核心是充分利用激光点云走向的全局统计特征,最大限度减少对局部特征的依赖,以免造成适用局限性。通过国家电网十几段电力巡线数据的应用测试,显示该方法的自动化程度和普适性都很好,大大减少了以往通过商业软件人工交互式分类的工作量,对同样的数据集和分类结果,处理时间由平均1 h缩短到一两秒钟,大大提高了作业效率和用户体验。

高功率二极管端泵浦板条模块波前畸变实验研究

二极管激光器阵列端泵浦Nd:YAG板条具有热效应低、波前畸变小的特点,温度场和应力场的不均匀是引起板条增益介质波前畸变的主要原因。对端泵浦传导冷却Nd:YAG板条增益模块的泵浦和冷却均匀性进行了优化设计,获得了板条激光增益模块静态波前畸变最大偏差(PV)值为0.22μm。该模块用于双通放大器实验装置中,测试了板条增益模块有无注入功率条件下的波前畸变,测得无注入功率波前畸变PV值为3.49μm,能量提取后波前畸变PV值为3.41μm。在注入功率3120W时,获得输出激光功率4660W,光束质量为3.88倍衍射极限,该模块光光效率为27%。

高功率平面波导激光器研究进展及分析

平面波导激光器的激光介质既能实现大模体积运转,又在一维方向起到波导作用从而获得高光束质量激光输出,近年来成为高平均功率固体激光器的重要研究方向之一。对国内外平面波导激光器的研究进展进行了归纳总结,对比和分析了平面波导的双包层波导结构、梯形波导结构和自成像结构等结构特点,分析了平面波导结构的发展及趋势,并提出了平面波导激光器发展成为高功率激光器的一些限制因素。

四束激光光轴高精度稳定控制技术

介绍了压电陶瓷快速倾斜镜以及相应的反馈和控制系统研制过程,并对快速倾斜镜进行了详细的性能测试,包括响应速度、动态范围以及闭环分辨率等重要参数。在此基础上,完成了4束激光相干合成时光轴稳定闭环控制实验。实验结果表明:系统闭环控制时,4束激光光轴的均方根抖动均小于1.5μrad,与开环状态相比,光轴抖动量减小了80%。通过对开闭环控制结果的对比分析发现,远场光斑平均帧峰值提高了3.8倍。

基于F-P标准具的固体激光可调线宽控制技术

钠导星激光研制需激光线宽在一定范围内可调节。开展了F-P标准具压窄线宽数值模拟,设计一台高光束质量基横模线偏振激光输出全固态1064nm激光器作为实验装置,结合激光器输出光谱特性进行计算。根据计算结果采用不同规格的单标准具、组合双标准具实现了激光线宽在0.75～2.83GHz范围内的离散调节控制。在标准具未控温情况下,不同线宽时激光中心波长保持1064.58nm,30min内波长漂移量小于3pm。

基于偏振折叠的光纤耦合实验研究

基于二极管激光器mini-bar的光纤耦合方式是一种降低耦合系统成本并提高整体转换效率的方法。提出一种偏振折叠的光束整形方式,并采用一种CW 50 W mini-bar进行了相关耦合系统的设计。针对mini-bar的特殊结构与散热需求,设计了针对mini-bar封装用的特种微通道冷却器,并通过封装实验结果验证设计有效。将10片封装在铜微通道冷却器上的CW 50W mini-bar组装成两列各5 bar的叠阵,实现了两列叠阵的激光束沿快轴方向的空间合成,合成后输出功率439 W,空间耦合效率97%。根据耦合系统的设计进行了400μm芯径、0.22 NA的光纤耦合实验,得到光纤输出端脉冲激光功率186.9 W,整体光光效率为52.2%。

260 W波长锁定光纤耦合输出泵浦模块实验研究

半导体光纤耦合输出泵浦源是光纤激光器的核心器件,其性能直接制约光纤激光器的输出水平。采用COS封装的高功率LD芯片,通过VBG外腔光谱锁定和精密光束整形变换技术,结合偏振合束与精密聚焦耦合技术将18个LD单元耦合进105μm/NA0.22光纤,获得不低于260 W功率输出。实验表明,该模块在注入电流18 A时,可获得稳定输出连续功率264 W,对应电光效率52%,输出光谱中心波长975.92 nm,谱宽0.51 nm。该设计为获得高功率、高亮度波长稳定泵浦源提供了一条可行途径,光纤耦合输出模块工程化后可广泛应用在光纤激光器泵浦等领域。

碳纳米流体相变特性实验研究

通过"两步法"制备分散均匀、稳定的单壁碳纳米管/水、多壁碳纳米管/水碳纳米流体,通过差示扫描量热法(DSC)测试分析了碳纳米流体的凝固、熔化相变过程,实验结果表明在凝固相变过程中随着碳纳米管质量分数的增加,碳纳米流体的起始凝固温度及凝固温度逐渐升高,单壁碳纳米流体的凝固温度显著提高,在熔化相变过程中,碳纳米流体的质量分数对于纳米流体的熔点无明显影响,但对于碳纳米流体的潜热影响较大,碳纳米流体的潜热随着质量分数的增加而明显减小。

双变形镜对Yb:YAG板条激光器光束质量校正技术

分析了Yb:YAG板条激光器波前畸变的基本特征,结合光斑形态和功率密度,提出了采用水冷式13单元一维变形镜和95单元二维变形镜相结合的双变形镜组合模式对Yb:YAG板条激光器的波前畸变进行闭环校正。针对输出激光的特征进行了校正需求分析和校正能力分析,以此为基础开展了一维变形镜和二维变形镜的仿真及优化设计,同步开展了哈特曼和高压驱动系统等硬件的研制。研制出的变形镜经受了满功率出光考核,验证了内循环冷却装置对水冷式变形镜的冷却效果,随后在闭环校正实验中,将激光器的开环光束质量β=9.03提升至闭环的1.98,验证了双变形镜组合模式的自适应光学系统对Yb:YAG板条激光器光束质量校正的能力。

水冷式离焦变形镜技术研究

根据非稳腔薄片激光器腔内离焦的特点和主动校正的应用需求,针对性地设计离焦变形镜,对激光器腔内离焦进行实时补偿。采用压电陶瓷作为驱动器,圆形镜面圆心处设置1个驱动器,圆周上均布4个驱动器的5通道布局模式,仿真分析了筋板厚度和镜片厚度对离焦的校正效果影响,在优化设计的基础上研制出水冷式离焦变形镜,其静态面形PV值为0.34μm,波前动态范围为±16μm。在离焦变形镜和二维变形镜组合模式下进行了薄片激光器强光主动光学校正试验,谐振腔腔内像差PV值从6.76减小到1.44,光束质量从19.5提高到6.5,有效地改善了输出光束质量,验证了离焦变形镜对非稳腔薄片激光器离焦校正的有效性和实用性。