体布拉格光栅用于高功率光谱组束的研究

使用透射型体布拉格光栅组束两束光纤激光,实现了856 W光谱组束输出。总的光谱组束效率为73.7%,组束光束的横向质量因子为7.9,纵向质量因子为2.7。研究结果显示,虽然体光栅的角色散严重影响衍射光束的光束质量,但其并不影响透射光束的光束特性。由于当前宽谱光纤激光器的输出功率远大于窄线宽输出,使用宽谱光纤激光器(光谱带宽超过4nm)作为透射光束,能够在不降低组束效率和组束光束质量的前提下,有效提升使用体布拉格光栅进行光谱组束的总输出功率。     

非相干光纤激光组束系统耦合效率的优化分析

单光束耦合效率是决定非相干组束系统输出功率的关键,它受到透镜焦距、光栅周期和光斑半径等参数的影响。为了寻求较为优化的系统参数,通过理论分析和仿真研究,结果表明对于中心波长1060nm的光纤激光,应当选择透镜焦距20cm,光栅周期5μm,并且需要将光斑半径控制在50μm左右。通过反解光栅频率及组束波长带宽的第一个零点来选择组束阵列宽度一定条件下较优的光栅参数。通过理论分析和数值计算,结果表明较小的光栅频率和光栅厚度对提高衍射效率是有利的。     

基于透射型体布拉格光栅的两通道2.5kW光谱组束输出

体光栅光谱组束是获得高功率激光输出的一种有效途径.在有限的可用带宽内,光谱通道间隔影响着组束光束数目以及最终的高功率组束输出.采用耦合波理论,建立了一个两通道高功率光谱组束模型.通过优化体光栅光谱通道间隔,可放宽对组束子束线宽和功率的限制,组束功率可大幅提升而光谱密度并无显著下降.基于此,实验上获得了2.5 kW组束输出,绝对效率超过85%,通道间隔5 nm,光谱密度为0.51kW/nm.组束功率1 kW时,组束输出能保持好的光束质量;组束功率1.5kW时光束质量恶化较明显,通过分析发现,组束光束质量的恶化主要受限于体光栅的色散及高功率下体光栅复杂的热畸变.     

基于级联体光栅的光纤激光阵列谱组束

提出了一种基于级联体光栅(VBG)的谱组束方案,组柬阵元数可随级联体光栅的数目倍增.给出了一个双光栅级联谱组束系统实例,将组束阵元按波长分为两组,利用具有相应波长选择性的体光栅分别对它们进行组束,由于两个级联体光栅的角度选择性互不重叠,所有光束经第二个体光栅后都沿其布拉格(Bragg)角方向出射,实现近场和远场的功宰叠加.为保证各光束传播方向的一致性,采用严格耦合波理论推导出了准确计算光束入射角的解析式.数值计算结果表明各光束的平均衍射效率优于80%,在入射角偏离理论值不超过±5'(≈2.424×10-5rad)的条件下组束光中所有光束的传播方向偏差小于4×10-7rad.     

非相干光纤组束激光的光束质量分析

为了提高非相干光纤组束激光的光束质量,对影响光束质量的诸参数进行了分析。理论分析和数值计算结果表明,离焦量ε、透镜焦距f、组束阵列宽度W以及由光栅引入的角偏移θ_B是影响组束激光光束质量的重要因素。提出了一种采用双光栅组束结构抑制角偏移θ_B的方法。该结构仅适用于远场发散角θ_0与θ_B量级相当的情况。     

外腔两束光纤激光频谱组束的实验研究

报道了外腔2个大模面积双包层Er3+/Yb3+共掺光纤激光器频谱组束的实验结果,获得了最大功率为0.80 W、组束效率高达82.5%的组束激光输出。演示和分析了光纤末端放置位置的改变、光栅的旋转对输出光谱和组束效率的影响,结果表明:当光纤末端距系统轴的位置超过某一定值时,输出光谱呈现多模;当光栅与水平面所成角度减小时,组束效率逐渐增大。     

光纤激光器频谱组束的理论研究

 建立了由光纤激光器阵列、薄透镜和衍射光栅组成的频谱叠加理论模型，基于高斯光束的变换和衍射理论，推导出远场光强分布的关系式，探讨了系统参量的优化设计并进行了数值模拟。结果表明：当中心波长激光器的-1级干涉主极大与槽面衍射主极大重合、零级干涉主极大刚好落在槽面衍射的+1级零值极小上、其它波长激光器的-1级干涉主极大与中心波长激光器的槽面衍射主极大重合时，输出光束的衍射效率较高；当光栅平面法线与薄透镜光轴的夹角为衍射光栅槽形角的一半时，输出光束的半角宽度较小。     

Sinc切趾布拉格光栅谱合成特性

 谱合成是获得高功率激光输出的有效方法。反射布拉格光栅衍射旁瓣是影响谱合成效率的主要因素。建立了sinc切趾布拉格光栅谱合成理论模型,采用传输矩阵法,分析了光栅参数对切趾光栅衍射特性的影响,以及入射光束光谱宽度和发散角对谱合成效率的影响。计算结果表明：sinc切趾布拉格光栅可有效抑制衍射旁瓣的影响,其一级衍射旁瓣和二级衍射旁瓣的峰值分别由62%和36%下降为0.57%和0.12%。通过优化光栅参数,利用sinc切趾布拉格光栅可实现窄光谱间距、高谱合成效率的多光束谱合成。切趾后,在10 nm的带宽内,参与谱合成光束的数目由7束增加为25束。对于波长为1 064 nm和1 064.4 nm的两束光谱合成,当入射光束光谱宽度小于0.15 nm,且发散角小于0.8 mrad时,谱合成效率达90%以上。     

半导体激光光栅外腔光谱合束压窄光谱的理论研究

介绍了一种减少半导体激光器阵列光栅外腔光谱合束(SBC)整体光谱展宽的方法，通过加入一组变形棱镜对传统光谱合束结构进行了改善。变形棱镜的作用实现减小半导体激光线阵输出光斑宽度，减小入射到光栅上的入射角度进而减小整体的光谱线宽。采用发光单元宽度为100 m、周期为500 m、由19个发光单元组成的常规CM-Bar条进行光栅-外腔光谱合束技术的理论推导及软件模拟，得到了光谱线宽为3.2 nm。与通过增大柱透镜焦距来减小光谱线宽的方法相比，此方法的优势是保证了整体光谱合束的整体结构在500 mm以内，使得各个发光单元有足够反馈量，抑制光束间串扰，保证合束后的光束质量和效率。     

体全息光栅透镜的设计和应用

设计了一种新型的体全息光栅透镜, 在一块光学平板（体全息记录材料）内可以将输入光束产生横向传输并聚焦, 或对输入光点产生横传的准直. 它由一束平面波和一束球面波正交入射到光学平板上干涉形成的. 研究了该体全息透镜的光栅间距变化情况, 为设计和制备体全息光栅透镜及相关器件提供了理论依据. 基于两光束耦合波理论, 得到了该光栅透镜的耦合波方程, 近似计算了该透镜的衍射效率及其达到高衍射效率时透镜的最佳尺寸. 最后, 讨论了该透镜在集成光学等领域中的应用.     

掺Yb光纤激光器阵列谱合成系统的光束传输模型及光束特性分析

建立了由掺Yb光纤激光器阵列、变换透镜、闪耀光栅和输出耦合镜组成的光束谱合成系统的光束传输模型.在考虑光栅角色散、光栅刻槽倾角误差和光栅衍射效率情况下，利用光线追迹法、衍射积分方法、光束非相干叠加原理和强度二阶矩方法，推导出高斯光束非平行倾斜入射到闪耀光栅的相位变化公式以及谱合成光束的光强分布解析表达式.分析了高斯光束非平行倾斜入射到光栅后，光栅角色散、光栅衍射效率和光栅刻槽倾角误差对掺Yb光纤激光器谱合成系统输出光束特性的影响.研究结果表明，谱合成光束具有与单根光纤激光器几乎相同的光束质量；光栅角色散对合成光束特性的影响可忽略；随着光栅刻槽倾角误差的增大，谱合成光束的光束质量明显变差；当光栅刻槽倾角误差较大时，必须考虑光栅衍射效率对合成光束特性的影响. 关键词： 掺Yb光纤激光器 非平行倾斜入射 光束谱合成 光束质量     

二极管激光光栅-外腔光谱合成技术模拟研究

 光栅-外腔光谱合成效率主要由激光器和外腔的耦合效率决定。从衍射积分方程出发，建立了存在离轴像差情况下耦合效率模型，分析了光谱合成系统参数对耦合效率的影响。结果表明：当离轴距离增加、横模阶次增大、模场半径减小、阵列平面或光栅平面偏离焦平面时，耦合效率随之下降；光栅倾角和光栅平面-耦合输出镜距离对耦合效率影响甚微。对采用焦距为500 mm的对称双球面透镜，长度为10 mm二极管激光阵列的系统，快轴方向模场半径应大于0.15 mm, 慢轴方向模场半径应大于 20 μm， 阵列平面位置误差应控制在±0.5 mm内，光栅平面位置误差应控制在±0.2 mm内。     

Analysis of coherent beam combining through superposed volume gratings by coupled wave theory

To address the problem of coherent beam combining through superposed volume gratings, a comprehensive mathematical model has been established and its analytical formula has been derived using coupled wave theory. The effect of each of the individual optical parameters involved in the model on the beam combining were numerically analyzed in detail. The sufficient and necessary conditions to realize efficient beam combining are summarized and discussed.     

Hamming切趾技术提高体光栅光谱合成功率的研究

 体光栅光谱合成技术是获得高功率激光输出的一种有效途径,体光栅衍射旁瓣是影响合成光束数目的主要因素。采用了Hamming切趾技术对体光栅旁瓣进行抑制,建立了Hamming切趾体光栅的折射率分布模型,分析了Hamming切趾体光栅的衍射特性,给出了Hamming切趾体光栅光谱合成效率公式,分析了切趾光栅对光谱合成效率的影响。计算结果表明：体光栅切趾后有效减小了体光栅对相邻合成光束的衍射损耗,切趾后,在20 nm的带宽内,谱合成光束的数目由13束增加为20束,谱合成效率达75.3%,光谱合成功率提高为切趾前的1.5倍。     

Spectral beam combining of fiber lasers based on a transmitting volume Bragg grating

Based on the principle of spectral beam combining using a transmitting volume Bragg grating, a simple experimental setup was designed, in which an approach to control the incidence angles of beams using a focusing lens is presented. The experimental results for the spectral beam combining of two fiber lasers are reported. The gain media used in this experiment were large-mode area Er³⁺/Yb³⁺ co-doped double-clad fibers, pumped by semiconductor lasers. The output powers of the two fiber lasers were 0.39 and 0.53 W, respectively. With a grating diffraction efficiency of about 60%, a maximum combined power of 0.64 W with an absolute combining efficiency of about 69.6% was achieved.     

基于多层电介质光栅光谱合成的光束质量

基于电介质光栅的光谱合成是实现高功率高光束质量激光的重要途径. 在电介质光栅的光谱合成系统中, 光栅色散效应是影响合成激光光束质量的重要因素. 本文推导了单光栅和双光栅光谱合成系统中由于光栅色散引起M²因子的变化公式; 详细讨论了这两种合成系统中单路激光线宽、单路激光光斑半径、相邻两路激光波长差、相邻两路激光间距以及光栅周期对光束质量的影响. 研究表明对于单光栅合成系统, 在合成过程中若保持光束质量M²因子的大小不变, 则单路激光带宽随光斑半径的增加而减小; 在双光栅光谱合成系统中, 在保持光束质量的前提下, 单路激光带宽可随光斑半径的增大而相应增加. 数值计算表明, 若要满足合成光束的光束质量M² ≤1.2的要求, 在单光栅系统中激光线宽需窄于亚纳米量级, 在双光栅系统中激光带宽可为亚纳米. 本文为高功率、高光束质量的光纤激光光谱合成系统的搭建提供了理论指导.     

谱合成光束特性的模拟分析

建立了光束谱合成的传输模型.应用光线追迹方法，将闪耀光栅引起的相位变化用槽间光程差和槽内光程差来表示，建立了光束倾斜入射到光栅时相位变化的计算模型.利用衍射积分方法，给出了阵列光源各子光束经谱合成系统后输出光场的解析表达式.依据光束非相干叠加的原理，计算得到合成光束的光强分布.在此基础上，利用强度二阶矩方法，分别计算了阵列光束和合成光束的M²因子，并定量分析了谱合成系统参数对合成光束特性的影响.研究结果表明：通过谱合成系统合成光束的M²关键词： 光束谱合成 阵列光源 闪耀光栅 光束质量