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谱合成系统串扰及其对合束特性的影响

中国激光 2023年第14期50卷 140-149页

作者：晏青青钟哲强张彬吴真蔡伟四川大学电子信息学院四川成都610065 西华大学理学院四川成都610039

在二极管激光阵列(DLA)光栅-外腔谱合成(SBC)系统中,DLA子单元的发散角、指向角偏差等非完善因素会导致子单元光束经外腔反馈后产生串扰,从而降低合成光束质量和合束效率。为深入研究谱合成系统的光束串扰及其对合束特性的影响,建立了DL... 详细信息

在二极管激光阵列(DLA)光栅-外腔谱合成(SBC)系统中,DLA子单元的发散角、指向角偏差等非完善因素会导致子单元光束经外腔反馈后产生串扰,从而降低合成光束质量和合束效率。为深入研究谱合成系统的光束串扰及其对合束特性的影响,建立了DLA在外腔往返的光传输模型,并结合含串扰光注入的半导体激光器速率方程,构建了考虑串扰光影响的谱合成系统的合束效率物理模型。在此基础上,详细探讨了串扰光经外腔往返传输之后的反馈机制及其对合束特性的影响规律,进而分析了谱合成系统DLA子单元间距、透镜焦距和光栅线密度等因素对合束效率的影响,可为DLA光栅-外腔谱合成系统的串扰抑制提供参考。

关键词：激光光学光谱合成光束串扰光束质量合束效率

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二维激光阵列逆达曼光栅相干合束理论研究

光学学报 2011年第12期31卷 26-32页

作者：李兵闫爱民吕笑宇孙建锋刘立人中国科学院上海光学精密机械研究所中国科学院空间激光通信及检测技术重点实验室上海201800

采用逆达曼光栅及相位补偿原理将多束锁相相干的阵列激光合成为远场单一主瓣光束是一种实现高功率和高亮度相干合束的技术方案。以5×5和32×32二维相干激光阵列为例进行了理论模拟分析,同时分析了逆达曼光栅相干合束实验中相位板相位... 详细信息

采用逆达曼光栅及相位补偿原理将多束锁相相干的阵列激光合成为远场单一主瓣光束是一种实现高功率和高亮度相干合束的技术方案。以5×5和32×32二维相干激光阵列为例进行了理论模拟分析,同时分析了逆达曼光栅相干合束实验中相位板相位误差、逆达曼光栅对准误差和放置角度误差对合束效率的影响。理论分析及数值模拟计算结果表明,逆达曼光栅可用于相干激光阵列合束,但误差对相干激光阵列合束效率有较大的影响。因此,在实验中乃至发展基于逆达曼光栅的高功率激光器系统时,需要减小相位补偿板的相位加工误差,精密调节逆达曼光栅的位置,以减小误差对于合束效率的影响。

关键词：光栅相干光学相干合束合束效率逆达曼光栅误差分析

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基于折射棱镜的多波段激光合束方法

激光与光电子学进展 2023年第17期60卷 236-242页

作者：兰江何衡湘陈俊王陈程帅张凌鹏石康旺邹硕颐丛俊凯西南技术物理研究所四川成都610041

多波段激光合束技术在光电对抗领域的应用越来越受到重视,基于此提出了一种使用折射棱镜组的多波段激光合束方法,优选了牌号依次为H-ZLaF92、D-ZLaF85LS、H-ZBaF21的3种火石玻璃作为棱镜材料,通过对棱镜组的顶角值、入射角度以及位置关... 详细信息

多波段激光合束技术在光电对抗领域的应用越来越受到重视,基于此提出了一种使用折射棱镜组的多波段激光合束方法,优选了牌号依次为H-ZLaF92、D-ZLaF85LS、H-ZBaF21的3种火石玻璃作为棱镜材料,通过对棱镜组的顶角值、入射角度以及位置关系的计算和仿真,设计了包含调整镜组、折射棱镜组、反射镜组和偏振滤光片的合束方案,同时利用将单一线性偏振激光束电矢量方向调整为平行于入射面的方法减小反射损耗。分析计算表明:在波长分别为550 nm、1060 nm、2000 nm情况下,入射角分别选择63.05°、61.35°、59.58°,3种材料的棱镜顶角值分别取51°、55°、60°;在光斑间距ΔX1、ΔX2分别为10 mm、20 mm的情况下,3种材料对应棱镜的远表面距离D、近表面距离d分别为289 mm、83.5 mm,366.4 mm、107.7 mm,381.6 mm、103.6 mm;在不进行光学镀膜的情况下,仅使用单一线性偏振光以布儒斯特角入射,也能够达到92.8%~97.6%的合束效率,与现有多波段合束技术相比,在成本方面有巨大的优势。

关键词：激光合束多波段合束折射棱镜 p偏振合束效率

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高功率激光器的光谱合束技术研究

应用光学 2022年第4期43卷 792-797页

作者：穆让修张佳龙井宇李刚卜英华韩耀锋寿少峻西安应用光学研究所陕西西安710065

为了获得高功率激光束,提出利用双色镜对典型波长2种不同类型(脉冲、连续)的高能激光进行合束,以实现高功率高能量激光输出。通过对双色镜的热效应和合束光斑远场激光参数进行仿真分析计算,热效应仿真结果表明,在单束激光10 kW、光斑直... 详细信息

为了获得高功率激光束,提出利用双色镜对典型波长2种不同类型(脉冲、连续)的高能激光进行合束,以实现高功率高能量激光输出。通过对双色镜的热效应和合束光斑远场激光参数进行仿真分析计算,热效应仿真结果表明,在单束激光10 kW、光斑直径15 mm条件下,双色镜面型热形变量均方根值为0.004λ(λ=632.8 nm),满足光学元件面型小于0.03λ精度要求。搭建了一套基于双色镜的光谱合束系统,并分别进行了高功率连续激光与高功率连续激光、高功率连续激光与高能量脉冲激光的合束试验,合束效率高于95%。试验结果表明,光谱合束可有效应用于高能激光领域。

关键词：光谱合束高能激光合束效率双色镜

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基于模式振荡的谱合束系统光束串扰理论分析

基于模式振荡的谱合束系统光束串扰理论分析

作者：蔡伟西华大学

学位级别：硕士

自1960年第一台激光器诞生以来,激励了许多科研人员进行高性能激光器的研发工作。半导体激光器鉴于其体积占比小、工作效率高、质量轻、稳定性好、使用周期长、功耗低等优点被广泛应用到包括物理学、化学、生命科学、医学以及工业生产... 详细信息

自1960年第一台激光器诞生以来,激励了许多科研人员进行高性能激光器的研发工作。半导体激光器鉴于其体积占比小、工作效率高、质量轻、稳定性好、使用周期长、功耗低等优点被广泛应用到包括物理学、化学、生命科学、医学以及工业生产、国防技术等应用领域。此外,其采用低电压恒流供电方式,故障事故发生率较低,维护成本低廉,同样为其提供了重要的商业价值。近年来,为实现高功率和高光束质量的激光光源而研究出一种外腔光谱合束技术,引起了科研学者们的广泛关注。合束系统主要是利用色散元件使多束不同波长的半导体激光光束实现共孔径合束,通过光栅外腔反馈效应锁定子单元输出波长。然而,谱合束系统由于激光阵列的“smile”效应、元件制作和装配误差以及子单元经过快慢轴准直镜后依旧存在一定的线宽和发散角等问题易产生光束串扰,对系统鲁棒性及合束效率产生影响。现阶段研究学者主要围绕谱合束外部结构问题进行了大量研究,对于半导体激光器谱合束系统内部模式竞争以及串扰理论研究尚且缺乏。本论文以半导体激光阵列为光源,针对外腔半导体激光谱合束系统的输出模式特性以及串扰现象对合束效率的影响展开系统而深入的研究。主要研究内容包括:1.为研究外腔半导体激光谱合束系统的模式特性,基于光反馈半导体激光速率方程,建立了半导体激光器发光子单元的耦合腔谐振模型,给出了能在耦合腔中稳定起振的模式条件,并将振荡模式分为单模式振荡(仅一个模式能在耦合腔中稳定起振)和多模式振荡(多个模式能在耦合腔中起振)。结合耦合腔增益曲线,给出了单模式振荡和多模式振荡时的模式结构和光束特性,分析了谱合束系统结构参数对模式稳定性的影响。结果表明,增大激光器前端面反射率、降低外腔等效反射率,可以提高谱合束光源的模式稳定性。2.外腔半导体激光谱合束系统的合束效率、光谱和光束质量都受到串扰效应的显著影响。深入了解外腔半导体激光谱合束系统的振荡模式和串扰效应可以较好地优化外腔半导体激光谱合束系统。根据半导体激光器输出光束的模态影响,将串扰分为自串扰和互串扰,利用Lang-Kobayashi速率方程分析了它们对外腔半导体激光谱合束系统合束效率的影响。结果表明,使用的转换透镜透射率越大谱合束系统的合束效率将增大,可通过镀膜的方式增加转换透镜的透射率,提高合束效率。增大输出耦合镜反射率和半导体激光器前端面反射率时,都将导致谱合束系统合束效率逐渐降低,但其有助于提升谱合束系统稳定性,由此在设定输出耦合镜反射率和半导体激光器前端面反射率时需综合考虑谱合束系统稳定性和合束效率。在比较不同类型串扰对合束效率的影响时发现自串扰对合束效率的影响并不大,可通过抑制侧模来有效地控制自串扰,提高合束效率。而互串扰对光束合束效率的影响远高于自串扰,尤其是一阶串扰,对合束效率的影响最大。本文的研究工作对高功率光束谱合成技术的发展及其应用具有一定的参考意义。

关键词：半导体激光器谱合束速率方程合束效率光束串扰振荡模式

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半导体激光外腔反馈光谱合束技术研究

半导体激光外腔反馈光谱合束技术研究

作者：吴肖杰长春理工大学

学位级别：硕士

外腔反馈光谱合束技术是一种基于色散元件的分光作用使得各个入射光束在空间上叠加,实现近场和远场光斑重合输出的合束方式。此技术的优点是提高光束质量和输出功率,但合束后光束质量不能完全等同于单个激光单元的光束质量,光谱合束效... 详细信息

外腔反馈光谱合束技术是一种基于色散元件的分光作用使得各个入射光束在空间上叠加,实现近场和远场光斑重合输出的合束方式。此技术的优点是提高光束质量和输出功率,但合束后光束质量不能完全等同于单个激光单元的光束质量,光谱合束效率不高,光谱展宽为所有发光单元的光谱之和,拓宽了输出光谱展宽。本论文针对外腔反馈光谱合束技术中合束效率不高和输出光谱展宽两个问题开展研究。为提高合束输出功率,建立了基于光栅外腔光谱合束系统合束效率理论模型,分析了透镜的焦距、光栅的衍射效率和输出耦合镜的反射率三个外腔参数对合束效率的影响,设计了一种高合束效率的外腔反馈光谱合束结构。针对输出光谱宽的缺点,设计了两种压窄光束的透镜组,一组是由两个直角棱镜组成的5倍压束棱镜,另一组是5倍反向伽利略透镜,理论上得到了2.54nm和2.88nm的光谱展宽,达到压窄光谱展宽的目的。并对传统光谱合束结构和引入光束整形镜光谱合束系统的合束效果进行两种方式模拟。一是建立光传输模型对合束后光场分布进行了编程模拟,得到了M=3.2的合束光束,模拟了光栅脊高和占空比两个参数对合束光束特性的影响。二是利用ZEMAX非序列模式进行光谱合束系统整体建模和仿真,得到了光谱合束效率为90.8%,M=1.27的合束输出。两种方式都证实了引入BTS和光束整形镜的光谱合束系统不仅得到窄线宽输出,合束后光束质量有所提升。

关键词：外腔反馈光谱合束技术透射光栅合束效率光束整形系统窄光谱线宽

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高功率激光合束二向色镜研究

高功率激光合束二向色镜研究

作者：王敏南京理工大学

学位级别：硕士

基于二向色镜的激光光谱合束系统主要是通过利用二向色镜的截止滤光特性来实现输出功率的倍增,具有合束效率高、光束质量好、输出功率大、系统简洁稳定等优点,是近年来高功率激光光谱合束领域新的研究方向。二向色镜作为系统的核心器件... 详细信息

基于二向色镜的激光光谱合束系统主要是通过利用二向色镜的截止滤光特性来实现输出功率的倍增,具有合束效率高、光束质量好、输出功率大、系统简洁稳定等优点,是近年来高功率激光光谱合束领域新的研究方向。二向色镜作为系统的核心器件,其光学特性对合束系统的输出效果具有重大影响。本文首先介绍了激光合束系统的发展及应用现状,概述了其基本原理,并对粗糙表面散射理论的发展历程及二向色镜镀膜工艺、监控技术的发展进行了阐述。通过分析光在粗糙表面多层膜系结构的反射现象,建立了多层膜系粗糙表面反射模型。其次采用TFCalc软件设计优化得到二向色镜的膜系结构,并对二向色镜的反射现象进行模拟仿真,分析致使二向色镜的反射率产生变化的主要因素。进一步建立合束系统的输出评价指标,对系统的合束效率、光束质量等参量进行建模与仿真分析。总结仿真结果,对高功率激光合束二向色镜的关键参数提出指标要求。联合高端生产机构镀制得到高功率激光合束二向色镜,对二向色镜的实际参数进行测量,将模拟仿真所得到的结果与实际测量所得的结果进行对比,验证所建模型的合理性,并分析差异原因。最后,将二向色镜应用到激光合束系统中,对整个系统的实际输出结果进行测量。目前合束系统已经得到了10.12k W以上的高能激光输出,系统的合束效率高于97%,满功率输出下的合束效率可达98.9%。

关键词：二向色镜激光合束反射率合束效率光束质量表面粗糙度

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基于光子灯笼的相干合束技术研究

基于光子灯笼的相干合束技术研究

作者：冯泽亮吉林大学

学位级别：硕士

光纤激光器具有结构紧密、光束质量好、转换效率高等特点,被广泛应用于国防事业和工业制造。随着制造领域的精密化演进和国防事业的进一步发展,更高功率和更优良光束质量的光纤激光器的需求与日俱增。虽然单个光纤激光器可以通过优化结... 详细信息

光纤激光器具有结构紧密、光束质量好、转换效率高等特点,被广泛应用于国防事业和工业制造。随着制造领域的精密化演进和国防事业的进一步发展,更高功率和更优良光束质量的光纤激光器的需求与日俱增。虽然单个光纤激光器可以通过优化结构的方式获取较高功率的输出,但受光纤非线性效应和热损伤等因素的制约,其提升是有限制的。为解决这一问题,激光合束技术应运而生,可以通过将几个中等功率的激光器进行合束,获取更高功率的激光输出。现有的激光合束技术虽然可以实现高功率输出,但当合束功率增大到一定程度时,有源光纤的热负荷会急剧增大,在减小光纤模场面积的同时,还会带来横模不稳定效应,即光纤内部的横模之间会发生能量转移,以致输出功率不稳定,光束质量变差。光子灯笼作为一种新型的光纤合束器,具有损耗低,可实现模式控制等特点,将其用于激光合束,一方面可提升合束效率,另一方面可通过模式控制来保证输出光束的光束质量,从而提升横模不稳定性的阈值,实现更高功率的合束。因此对基于光子灯笼的相干合束技术进行研究具有重要的意义。本文将对基于光子灯笼的相干合束技术展开详细的理论、仿真和实验研究,具体内容和创新如下:首先,本文介绍了相干合束技术的国内外研究现状,指出利用现有相干合束技术虽然可以实现大功率输出,但无法避免合束过程中的横模不稳定效应。据此提出了本文的研究内容:研究新型光纤合束器——光子灯笼的模式控制,并分析了基于光子灯笼模式控制实现相干合束的优势。其次,介绍了相干合束技术的相关理论。详细介绍了相干合束的几种方法及其优缺点,并对基于光纤耦合器和光纤合束器的相干合成原理进行了阐述,为后文利用光子灯笼进行相干合束提供了理论基础。同时,对评判合束质量的关键指标进行了阐述,选择了合适的评判方法作为后续实验结果的评价指标。然后,对光子灯笼进行仿真分析和实验制作。首先,基于有限元分析法对三模非模选光子灯笼进行结构设计和仿真建模,仿真结果验证了设计结构的合理性。然后,仿真分析了锥区长度和拉锥比对光子灯笼传输效率的影响,结果表明随着锥区长度的增长和拉锥比的增大,光子灯笼的传输效率逐渐提升。最后,根据设计的结构制作了不同锥区长度和拉锥比的光子灯笼,并测试了光子灯笼的传输效率,实验结果与仿真结果所示规律一致。最后,对基于光子灯笼的相干合束系统进行了仿真和实验分析。首先,利用光束传播法对实验系统进行仿真搭建,基于仿真所得的光子灯笼传输矩阵实现了模式控制,并测量了系统的合束效率和光束质量,仿真结果表明通过控制光子灯笼输入端的输入功率和相位,可以实现对非模选光子灯笼的模式控制,使其输出纯净的LP模式,此时系统合束效率高达92%,输出光束的光斑呈现基模形态,输出光束的因子趋近于1。然后,搭建了基于光子灯笼的相干合束实验系统,基于测得的光子灯笼实际传输矩阵实现了模式控制,并对比了模式控制前后系统的合束效率和合束质量,实验结果表明模式控制下该系统的合束效率相较无模式控制有大幅提升,受熔接损耗和光子灯笼自身损耗的影响,最大合束效率为54.69%,去损耗后的合束效率可达97.28%,输出光束的远场光斑呈现基模形态,光束中LP模式占比高达91.48%,光束质量较高。

关键词：光纤激光器光子灯笼相干合束熔融拉锥合束效率