大口径高功率激光二极管阵列端面泵浦技术研究

采用大口径、高功率激光二极管阵列的大型全固化二极管泵浦激光系统能够产生高功率、大能量、高重复频率和高光束质量的激光.为了实现对介质的高效泵浦,将空心透镜导管应用于大口径高功率激光二极管阵列耦合系统.基于3维光线追迹的数值计算方法,编制了LD纵向泵浦耦合系统模拟软件,对空心透镜导管进行模拟与设计,将发光面积超过100 cm2、功率达48 kW的二极管阵列发出的泵浦光,耦合到面积仅4 cm2的NdYLF中,在系统耦合效率超过70%的同时,增益介质表面泵浦场具有良好的均匀性.     

二极管侧面泵浦薄片激光器泵浦均匀性分析

 建立了二极管侧面泵浦复合薄片激光介质Nd:YAG/YAG的数值模型：二极管阵列的快轴垂直于薄片激光介质表面的排布,二极管对称排列在增益介质的周围,从侧面进行泵浦,通过微柱透镜对二极管的快轴进行准直。模拟并实验研究了激光二极管慢轴方向的远场分布特性,结果发现在近距离时激光二极管慢轴方向上的远场分布近似为高斯分布。对于二极管参量,研究发现泵浦二极管越多,增益介质内泵浦光分布就越理想;增益介质吸收系数越小,泵浦的均匀性就越好,但总的吸收效率下降;二极管与工作物质的距离越近,工作物质靠近中心的区域对泵浦光的吸收就越多,但泵浦的均匀性就越差。选用增益介质为Nd:YAG/YAG的复合薄片介质,当掺杂原子分数以及增益介质的吸收系数不同时,发现0.6%掺杂的增益介质(吸收系数为0.24 cm^-1)的泵浦均匀性比1%掺杂(吸收系数为0.51 mm^-1))有明显改善,实验结果与模拟结果一致。     

用于种子注入的微型二极管泵浦激光器

设计了一种用于种子注入的微型二极管泵浦激光器,并从LD泵浦固体激光器优化设计原则出发,对种子激光器的增益介质、耦合系统、谐振腔进行了优化设计.实验研究表明,该激光器运转稳定,输出光束质量高,光束发散角小,输出功率可达80 mW,可满足种子激光的要求.     

12 kW占空比为15%的二极管泵浦激光模块

开展了高储能、高占空比二极管泵浦激光模块的研究工作,针对影响激光介质增益分布的相关因素进行了理论和实验研究,研制出了高占空比、高储能二极管泵浦激光模块.该模块采用了144个激光二极管对直径为8 mm的NdYAG进行泵浦, 获得了均匀的增益分布和单脉冲能量700 mJ的储能.在该研究中,数值模拟了激光介质的增益分布,确定了激光模块的耦合结构,针对二极管线阵的高功率排热需求,研制了高效率微通道冷却结构,并完成了激光模块内部结构的模块化设计和激光模块性能参数的测试.     

半导体激光纵向泵浦的光学耦合系统设计

提出了半导体激光泵浦光束在固体增益介质内的加权平均半径是影响泵浦效率的主要参数；分析了泵浦光束尺寸、椭圆率与斜率效率和阈值的关系。从分析模式匹配理论出发，提出了光学耦合系统的设计和调整应满足的条件，最后对棱镜扩束耦合系统进行了详细计算和简单的实验研究。     

太阳光直接泵浦固体激光器研究进展

太阳光直接泵浦固体激光器相对于传统二极管泵浦激光器具有能耗低、效率高等优势,在大气传感、深空通信及国防安全等重要领域具有极大的应用潜力,战略意义重大。本文综述了太阳光直接泵浦固体激光器的阳光收集光学系统、增益介质及泵浦系统设计的国内外研究进展,揭示了其与激光输出质量及光转化效率提升的定向关联。提出在太阳光直接泵浦固体激光器发展中,高汇聚效率及高功率的激光输出是核心研究目标,而高品质增益介质是实现上述目标的关键所在。最后,展望了太阳光直接泵浦固体激光器的未来发展趋势。     

LDA侧面Zigzag泵浦多边形薄片激光放大器模拟与实验研究

介绍了一种激光二极管叠阵（LDA）侧面Zigzag泵浦多边形薄片激光放大器构型，采用三维光线追迹方法进行了详细的模拟仿真，优化设计了此放大器系统的泵浦耦合结构，主要研究了多边形增益介质的掺杂离子浓度与侧面切角对介质内部泵浦光分布的影响。在晶体厚度1.5 mm、端面口径16 mm的条件下，侧面切角在35°～65°，Nd3+掺杂浓度为0.20 at.%～0.30 at.%时，模拟仿真中Nd:YAG多边形薄片对泵浦光的吸收分布较均匀，泵浦光分布均匀性均优于0.1，同时在实验中得到了平顶的荧光分布和增益分布。介质内储能的均匀平顶分布有利于实现高功率高光束质量的激光输出，为侧面Zigzag泵浦多边形薄片激光器系统的设计与进一步实验提供了重要参考。     

100W二极管泵浦Nd:YAG薄片激光器

 报道了一台高效率二极管泵浦Nd:YAG薄片激光器，采用高效均匀泵浦耦合技术，在峰值功率1.008kW，占空比25％, 电-光效率大于45%的二极管激光阵列泵浦下，用一块1mm厚的Nd:YAG薄片激光介质，获得了峰值功率404W，平均功率101W的准连续激光输出，光-光效率达到40%，电-光效率超过18%。     

拟柱面激光二极管阵列端面泵浦方式提高固体激光器性能

就高功率激光二极管阵列端面泵浦大口径放大器提出一种新的耦合方式:激光二极管阵列拟柱面排布,即所有激光二极管面阵成1维圆弧型排列,圆弧的圆心在增益介质的几何中心,其后紧接一个空心导管进行耦合传输。建立了3维光线追迹程序对这种新耦合方式的特性进行模拟。模拟计算结果表明:这种耦合方式中二极管阵列排布方式灵活,当二极管阵列面阵单元以1×12(圆弧方向)、2×6(圆弧方向)、3×4(圆弧方向)这3种排布方式排布时,在较大的圆半径变化范围内均能实现高的输出耦合效率和高的能量沉积效率;当增益介质紧贴导管输出放置时,3种方式排列均能在增益介质中实现均匀平顶分布;当快轴方向所排阵列个数与慢轴方向所排阵列个数之比接近慢轴发散角与快轴发散角之比时,能获得更好的耦合效果。     

大口径端泵片状放大器的泵浦耦合系统（英）

为了满足片状激光放大器对泵浦功率密度的要求,设计并加工了高缩束比的耦合系统。根据LD的发光特性,将输出功率为80 kW的LD阵列进行拟球面排列,采用正交柱面透镜配合空心导光管进行泵浦耦合,将发光面积为330 mm85 mm的泵浦光,在输出口处压缩至18 mm18 mm的口径,耦合系统的缩束比高达86∶1。模拟计算表明,该耦合系统的耦合效率对导光管反射板的反射率依赖性较低。实验测量该耦合系统的效率为84.2%,输出口处泵浦光场快慢轴的调制度分别为1.30和1.18,且脱离耦合系统后的泵浦光传输8.5 mm后,依然可以保持泵浦光场的轮廓。该耦合系统在效率、泵浦场均匀性、传输性等方面均满足端面泵浦的片状放大器对泵浦耦合系统的要求。     

大电流恒功率放电技术在大功率DPL中的应用

针对大功率激光二极管泵浦固体激光器(DPL)对大功率驱动电源的特殊要求,设计了一种大电流恒功率放电及驱动控制电路。将该电路与现有的充电和过流保护电路组成一套完整的激光二极管阵列驱动电源,并应用于基于大功率激光二极管阵列的DPL系统中。该驱动电源可为DPL系统提供频率为20 Hz,脉冲宽度为230 s,200 A以上的驱动电流,这将对多种以DPL为基础的激光武器系统产生重要的实际应用价值。     

Self-compensation of thermal lens in high-power diode pumped solid-state lasers

We present a comprehensive model to describe the optic-thermal coupling in the diode pumped solid-state lasers (DPSSL). The thermal transition of particles at the upper laser level leads the heat-generation of laser crystals to depend on shape of the laser beam, while the laser field is also influenced by the temperature because of the thermal excitation of doped particles among various Stark levels. These effects, together with the usual thermal-optic effect that induces a fluctuation of the refraction index by an inhomogeneous temperature distribution, cause a complicated coupling between the laser field and the temperature field. We show that the optic-thermal coupling plays an important role in high-power DPSSL with larger size beam. That effect may yield a self-compensation for the thermal lens and improve the beam quality.     

激光器阵列光谱合成的模拟研究

 将输出光谱包络合理近似为高斯型,以高斯算法为基础,利用计算机软件编写了激光器阵列光谱合成模拟软件,实现了对激光器阵列合成波长、半高宽以及光谱图形的模拟。结果表明：用软件进行光束合成的激光器阵列波长与实际测试的波长基本吻合,但存在一定误差。基于这种情况,对模拟结果和实测结果的误差部分进行分析实验,以验证误差分析的正确性,并将误差重新编写到软件。该模拟软件可以在激光器组装阵列之前对激光器单条进行筛选,找出符合组成阵列波长要求的最佳激光器单条,使得实际生产出的激光器阵列波长与阵列的设计波长基本一致。     

二维固体激光阵列逆达曼光栅相干合束技术模拟研究

采用逆达曼光栅将二维锁相相干的激光阵列进行相干合束并进行孔径装填是获得远场单一主瓣大功率高光束质量激光输出的一种有效技术方案,将其应用于大尺寸5×5固体激光相干阵列相干合束中,并进行了固体激光阵列合束孔径装填的理论分析和原理性验证实验,测量了系统的实际合束效率,同时进行了后焦面逆达曼光栅的加工和放置误差对合束效率影响的详细分析。实验结果表明,逆达曼光栅用于固体激光阵列相干合束是一种有效的技术方案,且可以通过调节光栅周期和傅里叶透镜焦距来适应系统对激光阵列占空比的要求。这对于开发基于逆达曼光栅相干合束的高功率高光质量的全固态激光系统具有重要的意义。     

Application of optoelectronic negative feedback to ordering of the temporal structure of the diode-pumped Nd:YLF laser radiation

The conditions of the generation of radiation with ordered temporal structure are determined for a solid-state laser with external negative feedback. Experiments are performed based on the Nd:YLF laser longitudinally pumped by a high-power diode array. Lasing was controlled using an intracavity electro-optic modulator based on a lithium tantalate crystal. Intensity smoothing and self-mode-locking regimes with generation of several short pulses in the axial interval are implemented by varying the delay in the feedback circuit. Under conditions of amplification above the stability boundary, the secondary electro-optic effect manifestation was detected in the lithium tantalate crystal.     

半导体激光器堆栈填充因子对慢轴光束准直的影响

为实现基于微透镜阵列的高功率半导体激光器堆栈光束整形,对带有快轴准直透镜的高功率半导体激光器堆栈慢轴光束准直技术进行研究。在慢轴光束准直理论分析基础上,着重研究了慢轴填充因子对其光束准直的影响,并对不同填充因子的半导体激光器慢轴光束准直方案进行了分析。针对实际使用的填充因子0.5的高功率半导体激光器堆栈采用以Bar条为单元进行整体准直设计,并采用基于空间扫描法的发散角测试装置对慢轴准直后剩余发散角进行测试,实现准直后剩余发散角半角2.12°,实验表明该准直方法的有效性。     

环形激光二极管抽运棒状激光器中瞬态温度和热应力分析

直接从激光二极管发光强度的角分布出发,采用光线追迹方法获得激光棒内的热沉积分布,在此基础上采用热传导模型和热力模型,比较了不同抽运功率、不同棒半径下达到稳态温度分布的时间,并且对稳态和瞬态热应力进行了详细模拟计算。结果表明,采用环形激光二极管阵列侧面抽运的棒状激光器中的热效应问题十分严重,不同的抽运结构参量下,温度分布不同;达到稳态所需时间随棒半径增大而增加,而不受抽运功率的影响;抽运功率越大,棒内温差增大,热应力也越大;热破坏主要集中于激光棒中心区域和表面区域。     

激光二极管阵列泵浦固体激光器热设计研究

对激光二极管阵列（LaserDiodeArray,LDA）泵浦固体激光器热设计进行了研究。通过采用计算热阻的方法,根据LDA的发热功率选择热电制冷器（ThermaolElectronicConrtoller,TEC）和相应的散热器,采用强迫风冷的方式对重复频率为25Hz,输出单脉冲能量为80mJ的LDA泵浦固体激光器进行了精确的温度控制。试验结果表明,在-40℃～55℃环境温度范围内,激光器性能稳定,满足技术指标要求。