基于Ti3C2Tx-PVA被动调Q的低噪声556 nm腔内倍频黄绿光激光器

采用液相剥离法获得厚度约为3.2 nm、层数约为3至4层的碳化钛纳米片(Ti_(3)C_(2)T_(x)),结合旋涂法制备出Ti_(3)C_(2)T_(x)-聚乙烯醇(Ti_(3)C_(2)T_(x)-PVA)薄膜,并借助拉曼光谱、原子力显微镜和平衡双探测系统对Ti_(3)C_(2)T_(x)纳米片的物相组成、厚度及可饱和吸收性能进行了表征。将Ti_(3)C_(2)T_(x)-PVA薄膜作为可饱和吸收体应用于一种808 nm半导体激光二极管端面泵浦Nd∶YAG陶瓷/LBO腔内倍频的556 nm黄绿激光器中实现被动调Q。在分析布儒斯特偏振器和双折射晶体协同选频滤波机理的基础上,通过两者的协同使用,抑制了1116 nm和1123 nm处光谱腔内振荡并进一步压缩了1112 nm处p-偏振光的纵模个数。在5.1 W最高激光二极管泵浦功率下,获得了平均输出功率为86.2 mW、重复频率为745.8 kHz、脉冲宽度为46 ns的556 nm被动调Q脉冲黄绿激光输出。4 h内测得功率不稳定度和激光噪声仅为±0.39%和0.37%,光束质量评价因子为M2x=1.837和M^(2)^(y)=1.975。Ti_(3)C_(2)T_(x)-PVA薄膜被动调Q结合“布儒斯特偏振器+双折射晶体”协同选频滤波技术方案为开发高稳定性、低噪声脉冲黄绿激光提供有价值的参考。

线性啁啾光纤光栅局部点加热光谱特性的研究

对线性啁啾光纤光栅(LCFBG)进行局部点加热时,在不同加热温度、加热宽度和加热位置情况下的输出光谱特性进行了研究。通过数值模拟发现,改变栅区局部加热点的温度和宽度,对透射禁带中窄带透射峰的透射率有较为明显的影响,其透射峰的中心波长也将会发生一定的漂移;透射峰的中心波长与栅区局部加热点的位置存在线性对应关系,且透射峰波长变化范围可覆盖整个透射禁带;LCFBG啁啾系数的大小,决定了改变加热位置导致的透射峰波长的调谐速率。基于理论研究结果,以热敏打印头的加热阵列为加热源,对LCFBG栅区进行局部点加热时的输出光谱特性进行了实验研究,得到了重复性和稳定性都较好、可多波长调谐的窄带透射峰。在实验误差范围内,实验结果与数值模拟得到的结论较为一致。

被动锁模超短脉冲光纤激光器研究进展(特邀)

超短脉冲光纤激光器是激光器领域的一个重要分支,由于输出脉冲峰值功率高、脉冲宽度窄,吸引了大量科研工作者的关注。被动锁模技术是产生超短脉冲的常用手段,通过平衡谐振腔内色散与非线性,增益与损耗之间的相互作用来实现超短脉冲输出。深入理解被动锁模机制能够进一步推动超快光源的研究走向成熟。随着输出性能的逐步提升,超短脉冲光纤激光器的适用场景越来越丰富,能在不同领域发挥更加重要的作用。本文综述了目前光纤激光器中常用的几类被动锁模技术,包括:非线性光纤环形镜、非线性偏转旋转、低维纳米材料可饱和吸收体、非线性多模干涉以及最近涌现的Mamyshev振荡器和时空锁模等,阐述了各自的原理以及技术优势,并介绍了其在超短脉冲光纤激光器研究方面的最新进展。

基于非线性光纤环形镜被动锁模掺铒光纤激光器

研究了一种基于非线性光纤环形镜“8”字形谐振腔结构的波长可调谐被动锁模掺铒光纤激光器,该激光器通过将偏振控制器加在耦合比为30/70的2×2光纤耦合器首尾相连的环内,在整个谐振腔的右端搭建了一个Sagnac环形滤波器。当泵浦功率为270 mW时,锁模光纤激光器输出了中心波长为1555.7 nm的传统孤子,其光谱的3-dB带宽为4.2 nm,重复频率为21.1 MHz,信噪比为68 dB,脉冲宽度为0.759 ps。此外,在不改变腔内其他器件的情况下只增加泵浦功率,实现了锁模光纤激光器的连续可调谐,中心波长的调谐范围为1.5 nm;在增加泵浦功率到360 mW时,调节偏振控制器出现了松束缚态孤子。

基于非线性放大环形镜的波长可调谐耗散孤子锁模光纤激光器

报道了一种基于非线性放大环形镜的“8”字形腔波长可调谐锁模掺镱光纤激光器。当泵浦功率为240 mW时,光纤激光器输出中心波长在1064.1 nm处的耗散孤子,其光谱3 dB带宽为7.7 nm,重复频率为18.8 MHz,输出光信噪比高达71.2 dB,脉冲宽度为867 fs。分别通过调节偏振控制器和泵浦功率实现了锁模光纤激光器在1032.8~1065.1 nm以及1037.4~1041.9 nm内调谐输出。探究了不同锁模状态下的光谱与脉冲特性,获得了时间带宽积接近傅里叶变换极限的高斯型脉冲。该光纤激光器结构简单,易于调谐,稳定性好,可为实现波长调谐、耗散孤子锁模提供技术参考。

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。

基于图像处理和LIPS分析的金属表面激光清洗过程监控

激光清洗过程监控是准确去除金属锈蚀层、有效避免金属基体损伤的关键。利用图像处理技术研究了30 mm×30 mm较大面积Q235B钢板在不同光斑搭接率下的清洗次数与清洗度的变化规律,得到50%的最佳光斑搭接率。利用激光诱导等离子体光谱研究了0.47 mm×0.47 mm微小面积Q235B钢板的皮尔逊相关系数随清洗次数的变化趋势,得到了不同厚度锈蚀层下的最佳清洗次数。在此基础上,将图像处理法与LIPS分析法协同使用,利用LIPS分析法能够根据微小面积锈蚀层厚度不同而动态校正最小清洗次数的特点,弥补了图像处理法无法精确控制激光清洗过程的缺陷,99.1%的清洗度表明两种方法的协同使用可对Q235B钢板大面积激光清洗过程进行有效监控。

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。

基于石墨烯全光调制的主/被动调Q光纤激光器(特邀)

报道了一种基于石墨烯全光调制器的主/被动调Q光纤激光器。石墨烯调制器不仅可以作为激光腔中的被动调Q器件,还可以作为全光调制器件。引入另一束被周期性调制的激光通过石墨烯调制器,以改变石墨烯在激光腔内的饱和吸收特性实现对激光脉冲的调制。该石墨烯调Q激光器具有全光纤结构、重复频率精确可控等优点。在不改变激光器泵浦功率的情况下,通过主动改变调制光的重复频率,获得了与调制光重复频率一致的调Q脉冲输出。此外,调制器采用不同透过率的石墨烯薄膜获得了不同的调制深度,调制深度越大,输出脉冲的重复频率变化范围越大(最大范围为31.6~92.6 kHz),并且精确可调。这对选用合适调制深度的石墨烯调制器具有重要的参考意义。

波长可调的低噪声全固态黄绿光激光器(特邀)

报道了一种808 nm激光二极管端面泵浦Nd:YAG激光晶体/腔内倍频的波长可调、低噪声全固态黄绿激光器。基于L型折叠谐振腔结构的优化设计,不但使谐振腔对热焦距具有动态热不灵敏性,而且补偿了折叠型结构和凹面反射镜引起的光束像散。基于布儒斯特片的布儒斯特角调节,实现对Nd:YAG晶体受激辐射产生的1112.62 nm、1116.70 nm和1123.24 nm三条谱线的选频和单一波长基频光腔内振荡;调节单一波长基频光的p偏振方向与双折射单晶玻璃光轴之间的夹角,通过压缩纵模个数,实现对该波长基频光的滤波。在此基础上,通过Ⅰ类角度相位匹配LBO晶体腔内倍频,分别获得了556.31 nm、558.35 nm和561.62 nm三个波长可调、高稳定性、低噪声的黄绿激光输出,对应最大连续输出功率分别达到了678 mW、653 mW和606 mW,光光转换效率分别为8.47%、8.16%和7.58%。在输出功率均为500 mW时,功率不稳定度分别为±0.42%、±0.38%和±0.49%,对应激光噪声分别为0.69%、0.51%和0.96%。

波长可切换窄线宽单频掺镱光纤激光器(特邀)

基于光纤环形激光器,设计出由三端口环形器、偏振控制器、未泵浦保偏掺镱光纤和光纤布拉格光栅组成的滤波器件作为高精度滤波器对谐振腔内的模式个数进行抑制,通过调谐偏振控制器,在保偏掺镱光纤内形成的梳状光谱和动态光栅,实现了窄线宽、单、双波长可切换单频掺镱光纤激光器。单波长运行时,在1 064.37 nm处测得激光器输出线宽346 Hz,光信噪比大于50 dB,30 min内该激光器波长及功率的不稳定性均在0.01 nm和0.2 dB范围内。通过调节偏振控制器,单波长和双波长可以实现互相切换,双波长分别位于1 064.156 nm和1 065.236 nm。该技术为超窄线宽激光器的双波长输出提供了新的途径。

Er^(3+)掺杂上转换发光材料的光谱调控

稀土掺杂上转换荧光粉作为一类重要的发光材料,凭借其低自发荧光、高稳定性和抗光漂白性的特点广泛应用于传感、防伪、生物成像、光动力和光热治疗等领域。但不同应用领域对材料光学特性的要求不尽相同,因此有必要根据需求对上转换发光材料的发射光谱进行有效调控。综述了Er^(3+)激活的上转换发光材料的光谱调控策略,其中通过改变基质种类,发光材料结构和掺杂浓度等传统的化学组分调控可以从根本上实现颜色的可调发射,但具有不可逆性故需要进行大量复杂实验。相比之下,外场调控通过改变外界的电磁场、温度、压力、激发光源参数等外部物理环境条件,改变发光材料所处外界环境改变稀土离子各能级上的电子布居,进而实现对荧光粉发光颜色的调控。此类方案可以实现对稀土掺杂上转换荧光材料光谱的连续调控,其颜色的转变具有较好的可重复性与可逆性。明确调控手段并对其中的机理进行分析有助于深入了解Er^(3+)上转换发射光谱调控的本质,为设计新型的光学调控手段奠定基础。

基于非线性管理的类噪声掺铒锁模光纤激光器

报道了一种基于非线性光纤的宽光谱类噪声锁模掺铒光纤激光器。在非线性偏振旋转锁模掺铒光纤激光谐振腔内引入色散补偿光纤和高非线性光纤,实现腔内色散和非线性管理,最终获得稳定的锁模脉冲输出。当在谐振腔内引入6 cm高非线性光纤时,可以获得中心波长为1534 nm,脉冲宽度为1.9 ps,重复频率为20.1 MHz,40 dB光谱带宽约为100 nm的超短脉冲输出。在此基础上,将高非线性光纤长度增加至30 cm时,通过优化波片角度,观察到稳定的类噪声锁模脉冲输出,其输出光谱覆盖范围为1280~1850 nm,40 dB带宽为500 nm,尖峰脉冲宽度短至70.9 fs,基座脉冲宽度为26.6 ps,重复频率约19.7 MHz。同时在实验中发现随着泵浦功率的提高,类噪声脉冲的基座脉宽和尖峰脉宽的演化呈相反趋势,光谱覆盖范围更宽。该类噪声锁模光纤激光器的研究对低相干光谱干涉技术的发展具有重要意义。

飞秒激光单体素加工连续渐变微纳针形结构研究(特邀)

针对目前微纳针形结构加工中存在的精度、形貌、可控性等问题,基于飞秒激光双光子加工系统中的单个体素,通过引入一维倾角自动调控体素的空间位置,提出了一种简单高效的加工连续渐变微纳针形结构的方法。通过开展加工实验,成功地在光刻胶材料中加工出了一系列长度可控、形貌连续渐变的微纳针形结构。实验结果表明:基于本方法加工的微纳针形结构,其高度呈线性变化关系且针尖形貌渐变精度达到了纳米量级,结构横向线宽渐变连续且沿中轴线呈对称分布;针形结构顶端最小高度达到5 nm,横向最小线宽为195 nm。其在功能表面、微纳流控、生物传感等研究领域具有潜在的应用价值。

激光参数对Q235B钢激光熔凝层耐蚀性的影响

为探究激光的单脉冲能量密度、光斑重叠率、扫描次数对激光熔凝层耐蚀性的影响规律,首先采用单因素激光熔凝实验法在Q235B钢材表面制备激光熔凝层,然后采用显微镜研究激光熔凝层单位面积内的微裂纹分布,并采用电化学分析方法研究熔凝层自腐蚀电位和自腐蚀电流密度的变化规律。以最大自腐蚀电位和最小自腐蚀电流密度为目标进行激光参数优化,得出单脉冲能量密度为3.82 J/cm^(2)、光斑搭接率为80%和扫描次数为4的激光最佳参数组合。分析表面及切面的X射线能量色散谱和X射线衍射谱发现,最佳激光参数组合下制备的激光熔凝层(最佳激光熔凝层)由内至外的组织为Fe渐变氧化层过渡至以Fe_(3)O_(4)-FeO混合结晶为主的Fe稳定氧化层。将最佳激光熔凝层与Q235B钢碱性发黑层的电化学阻抗谱、表面粗糙度、X射线能量色散谱和X射线衍射谱进行对比后发现,最佳激光熔凝层的耐蚀性约为碱性发黑层的3倍,这得益于熔凝层中Fe稳定氧化层更低的表面粗糙度和微裂纹密度、更少的氧化漏点以及可防止过度氧化的特点。

光热膜的制备以及光芬顿催化性能的研究

以刻蚀模板法制备的多孔碳纤维(CF)为载体,选取四氧化三铁(Fe_(3)O_(4))作为催化剂,将二者均匀混合并通过真空抽滤的方式制备出了具有界面加热和光芬顿催化性能的光热膜(PTM)。通过X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、比表面与孔隙度分析仪、紫外可见光分光光度计等对材料进行表征,研究了pH值、H_(2)O_(2)投加量和太阳光辐照密度对降解效率的影响。实验结果表明:在pH值为5、H_(2)O_(2)投加量为300μL和太阳光辐射密度为3 kW/m^(2)的条件下,反应进行80 min后,质量浓度为10 mg/L的罗丹明B(RhB)的降解率可以达到100%。此外,用PTM反复降解RhB溶液10次后,催化效率依然可以达到92%,表明此光热膜具有高的稳定性。

基于环形器的线形腔可控掺镱自扫光纤激光器

展示了一种基于环形器的线形腔可控掺镱自扫光纤激光器,腔两端的反射光在掺镱光纤内形成驻波场,产生空间烧孔效应,进而诱导形成动态光栅,产生自扫效应。当泵浦功率达到22.5 mW时,获得了正向自扫效应,当泵浦功率为48.8 mW时,获得的最大自扫范围约为6 nm(1065.4217~1071.4225 nm)。在整个实验过程中,获得的扫描速度为0.56~8.83 nm/s,平均脉冲重复频率为12.08~115.20 kHz。当泵浦功率为161.3 mW时,获得的最大光学信噪比为53.18 dB。实验中,在环形器内引入一个机械式可调谐光衰减器,通过改变腔内损耗,简单有效地对自扫范围和自扫速度等自扫特性进行了调控,并将自扫范围扩大为10.83 nm。

基于负热膨胀的热增强型ScF_(3):Nd^(3+)/Yb^(3+)/Er^(3+)高灵敏度温度探针

荧光强度比测温技术在生物组织内部实现了快速和无创的温度探测,但在实际应用中仍受荧光热猝灭及生物组织较大的吸收与散射的影响。本工作采用一步水热法制备了长方体ScF_(3):Yb^(3+)/Er^(3+)纳米晶,利用ScF_(3)特有的负热膨胀属性,提高了激活剂与敏化剂之间的能量传递效率,实现了上转换发光整体34倍的热增强。同时,引入Nd^(3+)构建了近红外-近红外高灵敏度的温度探针(Sa=0.1120 K^(-1)在400 K),并通过对测温曲线的矫正和离体实验,证明了样品在组织内部的测温性能,为解决上转换发光热猝灭和开发生物近红外发射温度探针提供了新的设计思路。