布拉格反射波导半导体激光器的研究

高功率半导体激光器在固体或光纤激光器泵浦、材料加工、医疗、传感、空间通讯和国防上有着极其重要的应用,但传统半导体激光器面临垂直发散角大、椭圆光斑的难题,限制了其直接应用。为了降低激光器的垂直发散角,本项目采用布拉格反射波导结构,利用光子带隙导引替代传统的全反射进行光场限制,优化设计了多种布拉格反射波导激光器结构,并制备了高性能的激光器器件。首先,采用传输矩阵理论和布洛赫波近似的方法计算了布拉格反射波导的模式色散关系,发现通过控制腔模光场分布,可实现不同远场的激光输出。接着,针对布拉格波导光子带隙导引机制,深入研究了四分之一波长布拉格反射波导激光器、单边布拉格反射波导激光器的光场特性,弄清了影响此类激光器远场的本质因素,最终设计并验证了一种布拉格反射波导双光束激光器,激光器在垂直方向可输出两个对称的、近圆形光束,单光束垂直和侧向发散角半高全宽分别低至7.2°和5.4°。另外,通过调控光缺陷层,使激光器工作在受抑隧穿光子带隙导引机制下,实现了超窄的单光束激光输出,激光器单管连续输出功率超过4.6 W,垂直发散角最低降至4.9°(半高全宽)和9.8°(95%功率)。这种高功率、窄的圆形光束输出可以大幅降低半导体激光器的应用成本,提高泵浦或光纤耦合效率,具有广阔的应用前景。     

基于单发光区芯片的大功率光纤耦合激光器的输出远场特征分析

为研究光纤耦合激光器的输出远场特征,基于ZEMAX光学设计软件,模拟了基于单发光区激光器芯片的多种光纤耦合结构,分析了不同耦合结构的输出远场特征。模拟结果表明:单管耦合输出远场分布通常为中间亮、边缘暗的圆形光斑。当准直后的光束快慢轴光束尺寸基本一致时,远场输出光斑均匀性会得到极大改善;当存在光纤轴心角向误差(大于1°)时,远场输出光斑的均匀性会明显降低。多单管耦合时,单管之间的台阶高度若大于准直后的快轴光斑尺寸,则对应的远场输出为有暗区的同心圆环,单管的数量对应圆环的数量。为了提高输出远场分布的均匀度,应严格控制合束单管之间的台阶高度。     

高功率光纤激光的时间部分相干性对相干合成的影响

 将多个光纤激光器的输出光束进行相干合成是获得高功率、高光束质量激光的有效途径。利用准部分相干光(PPCB)模型，计算了高功率光纤激光器阵列发出的部分相干光在远场的能量分布，分析了激光的时间部分相干性对相干合成的影响。计算结果表明，随着单根激光器输出光束线宽的增大，远场光斑的图样基本保持不变，但峰值功率和Strehl比随之减小。对于采用的算例，要保证远场光斑的Strehl比大于0.8，单根光纤激光器的线宽不能超过5 nm。     

Cr~(2+):ZnSe全固态中红外激光器

建立了一种高质量、高效率全固态中红外激光系统,并对激光输出的效率、光束质量等指标进行了测试。首先,以二极管激光器为泵浦源,Tm~(3+):YAP晶体为增益介质,搭建了输出波长为1.97μm的近红外激光器。然后,以Tm~(3+):YAP激光器为泵浦源,自行开发研制的Cr~(2+):ZnSe单晶为增益介质,搭建了全固态中红外激光器。最后,测试了全固态中红外激光器的光束质量及激光器出光效率,并对谐振腔光效率的理论输出值与实际的激光器出光参数进行了对比。实验结果表明:此全固态中红外激光器的光光转换效率为17.2%,斜率效率为20%,在最高输出能量为3 W时的光束质量(M~2)在x和y方向分别为1.7和1.73,光束基本为圆形的高斯光斑。     

用CCD摄像机检测激光器输出光束的指向稳定性

报导用CCD摄像机检测激光器输出光束的指向稳定性的实验结果。系统由计算机控制，可同时显示远场光斑形状及强度分布。测量He-Ne激光器、半导体激光器及氩离子激光器指向稳定性及激光束输出强度的稳定性。     

LD激光束准直整形模块的研制

SDL-5400型号GaAlAs LD激光器产生的是单模高斯光束,在相互垂直方向上光束发散角不相等,且存在像散。为得到共腰的圆形光斑,由复参数q和ABCD定律,设计出两相互垂直的柱面透镜和棱镜对准直整形模块,通过CCD标定方法,得到经准直整形后的LD激光束在弧矢方向上的远场发散角为0.53mrad,子午方向为0.64mrad。     

两路120 W固体激光高光束质量相干合成

通过主动相位控制实现了两路固体激光器的高光束质量相干合成输出,总输出功率达到240W。建立了两路120W板条激光放大器,通过光束整形获得了高光束质量方形光斑,并实现了高占空比光束拼接,填充因子高于92.4%。研制了光轴一致性探测与控制系统,采用基于压电陶瓷的快反镜实现了光轴的高精度闭环控制,两束激光光轴一致性优于2μrad(RMS)。设计了基于现场可编程门阵列(FPGA)的相位探测与控制系统,用随机并行梯度下降算法(SPGD)锁定了两束激光的活塞相位。相位闭环后,远场光斑峰值提高到开环状态的1.7倍,为理想值的84%。合成光束主瓣包含67%的激光总能量,光束质量(BQ)为1.1。     

热透镜控制激光光束质量技术研究

在端面抽运固体激光器中,就如何改善在高抽运功率时输出激光的光束质量,提出一种激光器的设计方法。在激光器谐振腔中放入多根掺杂浓度不同的激光介质,利用激光介质内部产生的热透镜控制抽运光和基模振荡光的空间分布,并且最大限度地使抽运光的分布区和基模振荡光分布区重叠,实现抽运光与基模振荡光在空间上高度匹配,进而提高抽运光能量的利用效率和振荡光的光束质量。实验表明,在不同抽运功率下,抽运光和基模振荡光在晶体内部的光斑的空间分布可通过热透镜加以控制。在端面抽运功率200 W附近时,实现了抽运光与基模振荡光较高程度匹配,光束质量因子M2由14.7改善为4.1。     

射频激励相移阵列谐振腔波导CO2激光器输出特性研究

为保持器件结构紧凑型的同时获得稳定的高功率、高光束质量激光输出,将相移光学阵列谐振腔技术用于射频激励扩散型冷却板条波导CO₂激光器．实验发现,该设计方案虽然波导结构为矩形宽波导,但是由于采用了具有相移阵列结构的全反射镜,获得的激光束输出空间分布具有阵列输出光束的基本特征．在波导截面为1mm×20mm、增益介质长度为20cm的波导结构条件下,获得了46W的激光功率输出和11.3%的电光转换效率．激光束输出的远场空间分布呈空间压缩的极锐单峰．由于该结构具有的选模特性,远场为单峰空间分布特 关键词：     

激光光斑漂移的检测

针对激光光斑漂移设计了一套光斑漂移检测系统。利用该系统实现了对He-Ne激光器出射光束漂移的检测。它采用CCD摄像头和图像采集卡采集激光器输出光斑，通过专门软件对数字图像进行处理，得出光斑漂移的大小；另外，利用几何光学方法得到了激光光束在X方向、Y方向以及空间立体角上的漂移大小。分析了引起光束漂移的原因。结果表明：He-Ne激光器出射光束的指向主要受温度、环境振动、空气扰动和激光器自身结构的影响。该系统能准确地测量出激光器出射光束的漂移大小，实现光束漂移的控制。     

百瓦级高亮度光纤耦合半导体激光模块的研制

用3只976 nm半导体激光短列阵作为子模块,研制出连续工作的百瓦级高亮度光纤耦合模块。首先,利用光束转换器将每个半导体激光短列阵进行光束整形;然后采用空间复用技术将3个半导体激光短列阵在光参数积小的方向上叠加,并利用倒置伽利略望远镜作为扩束器进一步压缩发散角;最后利用优化结构的透镜组将激光聚焦到芯径200 μm,数值孔径为0.22的光纤中。测量结果显示:聚焦后激光的发散角为24.8°,焦平面的光斑尺寸为175.2 μm;耦合后测量光纤出光功率可达107 W,对应亮度为2.23 MW/(cm²·sr),达到了国内利用列阵进行光纤耦合的领先水平;在工作电流为52.5 A时,电光转换效率为43.1%,远高于全固态等激光器;最后测量本模块在不同驱动电流时的光谱,并以此计算出模块的热阻为1.29 K/W,说明它的散热性能良好。结果表明,本光纤耦合模块适合应用于泵浦光纤激光器、医疗和激光加工等领域。     

Rotation of a Fine Particle with Circularly Polarized Anti-Parallel Collinear Laser Beams

We have succeeded in the operation of rotating a fine particle which was held without mechanical contact by circularly polarized laser beams with opposite propagation directions. A polystyrene latex particle 11.9 μm in diameter deformed in a disk-like shape was dispersed in water, and was trapped using the anti-parallel collinear laser beams which were set up so that they had the circular polarization rotating in the same direction. It was observed that the trapped particle rotated in the same direction as the rotation of the circular polarization of light. Inversion of the rotational direction of the circular polarization of light reversed the direction of the rotation of the particle. Although the rotational speed of a particle varied significantly from particle to particle, it was found to be proportional to the laser beam intensity. A typical value for the rotational speed per beam intensity was 2.1 Hz/W.     

一种重构高功率激光束波前的方法

介绍一种对“星光Ⅱ”１０＾１２Ｗ高功率激光器的波前相位进行重构测量的研究方法。实验中对高功率激光束经过孔阵列相位传感器在像纸上烧蚀成的光斑阵列进行图像处理,测定各光斑光强中心及相对位移,再由理论分析得到实用的迭代算法公式,重构出高功率激光束波前。     

用于冷原子制备的激光扩束准直器的研制

针对现有的冷原子实验用的多数保偏光纤输入型扩束准直器不能对输入激光束的偏振进行精确调节的缺陷,提出了一种全长度为135mm,输出圆形光斑有效直径为20mm的紧凑型偏振可调激光扩束准直器.该扩束准直器中的偏振棱镜和波片偏振轴均可独立调节,能对单模保偏光纤输入光束的偏振态进行精确调节和保持.所研制的激光扩束准直器在三维磁光阱冷原子实验中制备出了满足冷原子干涉实验要求的冷原子团,冷原子团原子数为5×108,温度约为10μK,并获得了最大上抛高度为1.156m的原子喷泉飞行时间信号.     

Deep subsurface optical waveguides produced by direct writing with femtosecond laser pulses in fused silica and phosphate glass

In the present work, we have analyzed the use of elliptical beam shaping along with low numerical aperture focusing optics in order to produce circular cross-section waveguides in different materials at large processing depths by direct femtosecond laser writing (100 fs, 800 nm, 1 kHz). A variable slit located before the focusing optics allows to generate a nearly elliptical beam shape and also to reduce the effective numerical aperture of the beam along the shat axis of the ellipse. The focusing optics allows to focus the beam deep inside the sample, which is translated at a constant speed transversely to the writing beam direction. The influence of several experimental parameters (energy per pulse, slit width, processing depth) on the properties of the produced waveguides has been analyzed. The influence of the intrinsic properties of the material (refractive index, composition) has been analyzed by comparing results obtained in fused silica and Er:Yb co-doped phosphate glass. The results obtained show that this approach leads to the successful production of deep subsurface (up to 7 mm) waveguides with circular cross-sections. Preliminary results using chirped pulses in the phosphate glass suggest that temporal pulse shaping can be used as an additional parameter to optimize the guided mode symmetry.     

高亮度半导体激光阵列光纤耦合模块

利用2只915 nm半导体激光短列阵作为子模块,设计并研制出连续输出的高亮度光纤耦合模块。首先对每个半导体激光短列阵进行光束整形,从而提高它的光束质量;然后采用空间复用技术将这两个半导体激光短列阵出射的激光在光参数积小的方向上叠加,并利用偏振复用技术进一步提高光束质量;最后利用单片非球面透镜将激光聚焦到芯径为100 μm、数值孔径为0.22的光纤中。测量结果显示:在工作电流为52.5 A时,聚焦镜焦平面的光斑尺寸为105.4 μm;耦合后测量光纤出光功率可达72.6 W,对应亮度为6.08 MW/(cm²·sr),模块的电光转换效率为42.2%。最后测量了模块在不同驱动电流时的光谱,证明该模块的散热性能良好。     

LD泵浦固体激光器基模振荡光的场分布噪音

通过调整泵浦光直径,使得LD端面泵浦固体激光器的振荡光工作于基模.在排除高阶横模的条件下,测量了由于热透镜的不稳定引起的光场场分布的噪音.实验发现,基模振荡光的高斯半径、光束指向角都在波动,而且光斑存在畸变波动.对一个未采取抑制措施的2W连续LD端面泵浦Nd:YAG固体激光器进行了测量.结果表明,在总功率不变的情况下,激光束峰值点附近的光强波动达到6.3%;激光的高斯半径波动达到5.8%;激光的指向角波动达到0.3mrad.     

2600W偏振耦合高效率半导体激光光源

将两个中心波长为808 nm,输出功率为1500W的半导体激光叠阵,经过快慢轴准直后,利用半波片将其中一个叠阵的偏振方向旋转90°,使用偏振分光平板的耦合功能,将两个偏振方向相互垂直的激光耦合到一个光路.扩束后再通过焦距为100 mm的聚焦镜组聚焦,提高激光器的亮度.在工作电流为75 A时,输出功率达到了2600 W,...     

Beam Shaping Optics for YAG Laser Processing Fabricated by Computerized Numerical Control Lathe

A method for a beam shaping optics is proposed to convert a laser beam profile into arbitrary required intensity distribution. Surface profile of the beam shaping optics is designed by using Snell's law to convert the required intensity distribution at the beam irradiation plane from the input intensity distribution. A computerized numerical control (CNC) lathe is employed to fabricate the beam shaping optics, and acrylic resin is used for the material. The acrylic resin plate is cut by a ball type of grinding wheel tool consisted on diamond powder and polished by a cone type felt buff with alumina ceramics powder. The CNC lathe is powerful tool to control the position of these tools. The fabricated beam shaping optics is aspheric shape with 4 mm of thickness and it works to convert the intensity distribution of multi-mode beam profile with 13 mm of diameter into a flat top cylinder with 1 mm of diameter. A working distance of the beam shaping optics is 60 mm, and its transmittance is over 98%. It succeeds to fabricate uniform melting mark of 0.6 mm diameter on a steel target by the YAG laser process.