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半导体激光阵列光纤相干耦合理论与实验研究

半导体激光阵列光纤相干耦合理论与实验研究

作者：邱运涛北京工业大学

学位级别：硕士

半导体激光阵列(一维半导体激光阵列bar和半导体激光叠层阵列stack)是实现大功率输出的有效技术途径,由于其高功率、高效率、体积小、寿命长等优点,目前已广泛应用于材料加工、通讯、医疗、泵浦固体激光器及军事等诸多领域。但是,由于... 详细信息

半导体激光阵列(一维半导体激光阵列bar和半导体激光叠层阵列stack)是实现大功率输出的有效技术途径,由于其高功率、高效率、体积小、寿命长等优点,目前已广泛应用于材料加工、通讯、医疗、泵浦固体激光器及军事等诸多领域。但是,由于其空间相干性不好,使它的光束质量很差,限制了其在许多领域直接应用,因此改善半导体激光器的光束质量是扩展半导体激光器应用领域的一项必要工作。目前的外腔锁相技术主要都是直接在半导体激光器外部加入一些反馈装置以实现锁相的,这些方法都存在着锁相同时不能保证光束空间对称性以及实际运行中如何对基超模进行选择等问题。光纤相干耦合技术就是先通过光纤阵列将半导体激光阵列的光束进行整型后再在光纤阵列的输出端形成新的外腔,实现锁相的同时整个系统输出的光束也具有较高的空间对称性,进而提高了锁相时的超模质量,更有利于实际应用的需要。由于光纤相干耦合在实际操作中对外腔腔长、腔型等参数比较敏感,因此需要一个完整的理论模型对其进行锁相行为描述。本文利用耦合模理论建立了光纤相干耦合半导体激光器的超模理论模型,推导了该锁相方式下的耦合系数矩阵和超模的近远场分布。发现该锁相方式的更有利于基超模的运转,提高激光器的光束质量。通过对系统的耦合系数的分析,并利用遗传算法对不同的腔型进行优化处理,得到了几种典型腔型的优化结果。通过对各个结果的稳定性的分析得到了适合锁相的外腔腔型。利用光纤相干耦合的方法在实验中以平面镜加凸透镜组成的外腔实现了对半导体激光阵列的锁相,在工作电流略高于阈值电流的条件下得到了线宽小于0.3nm的激光输出。

关键词：半导体激光阵列光纤耦合相干耦合锁相外腔

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基于云计算的电磁问题并行计算方法

电工技术学报 2016年第22期31卷 5-11页

作者：金亮邱运涛杨庆新牛萍娟祝丽花天津工业大学天津市电工电能新技术重点实验室天津300387

针对电工装备性能分析与优化所需的易用高性能计算问题,使用云计算技术搭建了弹性集群,实现了典型电磁问题在弹性集群中的并行计算。使用虚拟化技术将计算机资源整合为资源池,搭建并部署了可实现弹性计算的云平台及并行计算所需的弹性... 详细信息

针对电工装备性能分析与优化所需的易用高性能计算问题,使用云计算技术搭建了弹性集群,实现了典型电磁问题在弹性集群中的并行计算。使用虚拟化技术将计算机资源整合为资源池,搭建并部署了可实现弹性计算的云平台及并行计算所需的弹性集群。计算节点通过千兆路由器相连,节点之间使用SSH通信协议。选取感应电机和变压器作为计算案例,使用Fortran编写静磁场计算程序。对云计算的并行架构Open Mpi与Map Reduce进行了分析研究,使用Open Mpi并行化方法实现了数百万计算节点的并行计算。并通过与商业软件计算结果的对比验证了计算的正确性。研究结果表明,可在云计算的弹性集群上使用Open Mpi实现大规模并行计算。相比超级计算机提供的并行计算方案,本文使用云计算建立的弹性机群具有便捷、按需、可配置的优点,这为高性能计算提供了一种更易获取、易用的解决方法,为开展复杂真实机构的集成计算提供了高性能计算的理论和实践依据。

关键词：云计算并行计算电磁场数值计算有限元法

基于弹性云计算集群的国际TEAM Problem 7基准问题计算方法

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电工技术学报 2017年第8期32卷 144-150页

作者：金亮汪东梅邱运涛杨庆新牛萍娟天津工业大学天津市电工电能新技术重点实验室天津300387

针对智能制造所需的大规模计算问题,对比分析不同云计算技术的发展模式,选取适合大规模计算密集型的云架构,部署了9节点弹性计算平台。选取电磁领域的国际TEAM Problem7基准问题为案例,使用基于消息传递机制的开源并行编程模型Open Mpi... 详细信息

针对智能制造所需的大规模计算问题,对比分析不同云计算技术的发展模式,选取适合大规模计算密集型的云架构,部署了9节点弹性计算平台。选取电磁领域的国际TEAM Problem7基准问题为案例,使用基于消息传递机制的开源并行编程模型Open Mpi编写典型涡流场的并行计算程序,实现了计算案例数百万自由度的并行计算,得到了不同节点下不同计算规模的计算时间与速率分布图。研究结果表明,典型电工装备的大规模有限元仿真计算可在云计算平台部署的弹性计算集群中实现并行化。对比于传统高性能计算机的并行计算方法,本文的云计算弹性计算集群具有投入成本低、动态可分配、按需索取的优点,为传统纯粹制造业转型升级智能制造产业发展提供了一种灵活、便捷的新型高性能计算方案。

关键词：云计算高性能计算涡流场有限元法

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激光加工用5kW光纤耦合半导体激光器

光学精密工程 2015年第5期23卷 1279-1287页

作者：刘友强曹银花李景邱运涛秦文斌王智勇王大勇杨光辉北京工业大学激光工程研究院北京工业大学应用数理学院中国人民解放军96658部队

针对国内大功率半导体激光光纤耦合存在的问题,设计了光纤耦合聚焦系统,研制了5kW光纤耦合半导体激光器。比较了常见圆光斑光纤耦合与半导体激光方光斑光纤耦合的区别;对国产阵列型半导体激光堆栈,采用光束质量均匀化、偏振合束、多波... 详细信息

针对国内大功率半导体激光光纤耦合存在的问题,设计了光纤耦合聚焦系统,研制了5kW光纤耦合半导体激光器。比较了常见圆光斑光纤耦合与半导体激光方光斑光纤耦合的区别;对国产阵列型半导体激光堆栈,采用光束质量均匀化、偏振合束、多波长合束多路耦合等方式增加能量,将激光耦合进芯径为800μm,数值孔径(NA)为0.2的传能光纤中,实现了光纤耦合半导体激光输出光功率5 109W,光纤耦合效率85.69%,系统整体电光转换效率49.48%;在聚焦镜焦距为250mm时其激光功率密度达到2×105 W/cm2,可以用于金属的表面重熔、合金化、熔覆和焊接等领域。该激光器除了传能光纤外,其余部件均为为国产和自主研发,对我国国产高功率光纤耦合半导体激光器的开发具有重要的推动作用。

关键词：激光加工半导体激光器光纤耦合激光焊接激光熔覆

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热容型大功率半导体激光器瞬态热特性

发光学报 2016年第4期37卷 422-427页

作者：贾冠男尧舜高祥宇兰天邱运涛王智勇北京工业大学激光工程研究院北京100124

为研究热容型大功率半导体激光器在低环境温度、高瞬时功率、长工作间歇时间条件下的应用,建立三维瞬态热传导模型,通过有限元法计算得出热沉三维尺寸对半导体激光器瞬态热特性的影响。选取尺寸为26.6 mm×11.5 mm×4 mm的热沉进行热容... 详细信息

为研究热容型大功率半导体激光器在低环境温度、高瞬时功率、长工作间歇时间条件下的应用,建立三维瞬态热传导模型,通过有限元法计算得出热沉三维尺寸对半导体激光器瞬态热特性的影响。选取尺寸为26.6 mm×11.5 mm×4 mm的热沉进行热容型半导体激光器的封装测试,获得其在-20℃和-30℃环境温度下连续工作3.5 s过程中有源区温度随时间的变化曲线,并与数值计算的结果进行对比。结果表明,两者在误差范围内能够很好地吻合。

关键词：激光器半导体激光器热容型瞬态热特性

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荧光粉层厚度对激光照明的影响

发光学报 2016年第12期37卷 1484-1490页

作者：王志平曹银花刘友强邱运涛王智勇北京工业大学激光工程研究院北京100124

针对荧光粉层厚度对激光照明的影响展开研究,采用自行设计的反射式照明模块进行测试,利用独创的荧光粉层厚度确定方案精确地确定厚度。通过实验分析得出:随着荧光粉层厚度的增加,光通量逐渐增大,在荧光粉层厚度达到600μm之后呈现下降趋... 详细信息

针对荧光粉层厚度对激光照明的影响展开研究,采用自行设计的反射式照明模块进行测试,利用独创的荧光粉层厚度确定方案精确地确定厚度。通过实验分析得出:随着荧光粉层厚度的增加,光通量逐渐增大,在荧光粉层厚度达到600μm之后呈现下降趋势;在荧光粉层厚度达到600μm之前,蓝光含量呈下降趋势,600μm后略有上升,但整体趋于稳定;色温与蓝光含量变化趋势相同,存在正比关系。同时,本文还验证了光分布密度对激光照明有很大影响。

关键词：激光照明层厚度光通量蓝光含量色温

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锥形半导体激光芯片的光刻工艺研究

发光学报 2016年第12期37卷 1502-1506页

作者：李景邱运涛曹银花王青尧舜许商瑞秦文斌刘友强王智勇北京工业大学激光工程研究院北京100124

针对锥形半导体激光器中的脊形波导区宽度较小的问题,对半导体激光芯片制造中的刻蚀标记及刻蚀方法进行了研究。提出对于锥形半导体刻蚀中的脊型区域和锥形区域,采用不同精度的双标记刻蚀方法,细化对脊形波导和锥形波导的刻蚀中的对准问... 详细信息

针对锥形半导体激光器中的脊形波导区宽度较小的问题,对半导体激光芯片制造中的刻蚀标记及刻蚀方法进行了研究。提出对于锥形半导体刻蚀中的脊型区域和锥形区域,采用不同精度的双标记刻蚀方法,细化对脊形波导和锥形波导的刻蚀中的对准问题,并使光刻标在不同的光刻版上相错位排列,在相应光刻版中相互遮挡,反复刻蚀中保证相应的光刻标清晰、完整。刻蚀后的芯片在电流为7 A时获得了中心波长963nm、连续功率4.026 W、慢轴方向和快轴方向激光光束参数乘积分别为1.593 mm·mrad和0.668 mm·mrad的激光输出。

关键词：锥形半导体激光器脊形波导光刻标芯片刻蚀

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高亮度锥形半导体激光器

发光学报 2016年第8期37卷 990-995页

作者：李景邱运涛曹银花王青尧舜秦文斌刘友强王智勇北京工业大学激光工程研究院北京100124

介绍了由双量子阱非对称波导结构外延片刻蚀成的带有脊形波导结构的锥形半导体激光器。该激光器有效抑制了p型区域对激光的影响,减小了半导体激光快轴方向的发散角,同时采用脊形结构和锥形结构的组合获得了高亮度激光。实验中,在电流7 ... 详细信息

介绍了由双量子阱非对称波导结构外延片刻蚀成的带有脊形波导结构的锥形半导体激光器。该激光器有效抑制了p型区域对激光的影响,减小了半导体激光快轴方向的发散角,同时采用脊形结构和锥形结构的组合获得了高亮度激光。实验中,在电流7 A时获得了中心波长963 nm、连续功率4.026 W的激光输出。测得慢轴方向和快轴方向激光光束参数乘积分别为1.593 mm·mrad和0.668 mm·mrad。

关键词：半导体激光器锥形波导脊形波导高亮度高光束质量

基于电磁超声换能器的电磁声发射检测方法研究

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中国科技论文 2016年第23期11卷 2721-2726页

作者：郭富坤杨庆新金亮邱运涛祝丽花李阳张献刘雪莉天津工业大学天津电工电能新技术重点实验室天津300387

针对金属构件裂纹快速拓展导致构件突然断裂等问题,为了对活性缺陷进行检测或对缺陷的损伤程度进行评估,提出了1种将电磁超声换能器(electromagnetic acoustic transducer,EMAT)电磁加载装置应用于电磁声发射的检测方法,并构建了具有输... 详细信息

针对金属构件裂纹快速拓展导致构件突然断裂等问题,为了对活性缺陷进行检测或对缺陷的损伤程度进行评估,提出了1种将电磁超声换能器(electromagnetic acoustic transducer,EMAT)电磁加载装置应用于电磁声发射的检测方法,并构建了具有输出激励信号、数据采集、信号处理、数据存储等功能于一体的虚拟仪器;搭建了完整的实验系统,进行铝板和钢板试件的检测实验,采集声发射信号。通过对比人工缺陷、通孔和完好板材的信号,证明了使用EMAT可有效进行电磁声发射检测,在提高EMAT的检测能力的同时也使电磁声发射的检测方法易于工程应用。

关键词：电磁声发射电磁超声换能器虚拟仪器数据采集信号处理