用于光谱合束技术的透射光栅设计与优化

设计并制作了一种亚波长透射光栅,利用该光栅实现了半导体激光阵列光谱合束。基于严格耦合波理论,对光栅占空比、脊高和周期等进行了设计,模拟了不同结构参数对光栅衍射效率的影响,从而实现了光栅衍射效率的优化。理论计算表明,优化后的光栅对940nm激光的-1级衍射效率可达92%。实验结果表明,激光阵列光谱合束后,输出功率为46.2 W,光束质量为3.9mm·mrad。     

光纤激光共孔径光谱合成实现5kW高效优质输出

采用多层介质膜衍射光栅实现多路高功率光纤激光共孔径光谱合成有望成为光纤激光同时实现高功率、高效率和高光束质量的最具发展潜力的技术途径。搭建了一套基于双光栅色散补偿设计的5kW共孔径光谱合成系统。采用国产多层介质膜衍射光栅实现了5路kW级窄谱子束激光的高效优质共孔径光谱合成,最大输出功率达5.07kW,光束质量因子(M2)小于3,合成效率达到91.2%。初步研究表明:多层介质膜衍射光栅在较高功率水平、较宽光谱范围内均能保持较高衍射效率,是实现高功率光纤激光高效率光谱合成的重要器件;参与合成的子束自身的光束质量水平和线宽是影响合成输出光束质量的重要因素,光谱合成系统的输出功率主要受限于窄谱子束的输出功率和合成路数,增加窄谱子束的功率或合成路数均可进一步提升系统的输出功率。     

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。     

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。     

多层介质膜偏振无关光栅的研制

介绍了一种应用于光纤激光光谱合束的高衍射效率多层介质膜偏振无关光栅的设计及制作,给出了设计参数、制作流程和最终制作的偏振无关光栅的测量结果,在1.044~1.084μm波长范围内,实验测得的TE偏振光、TM偏振光的平均衍射效率分别为89.7%,93.8%。     

基于锥面衍射实现高效率双光栅光谱合成

分析了基于锥面衍射的双光栅光谱合成系统的可行性,设计了激光入射角为Littrow角附近的双多层介质膜(MLD)光栅光谱合成系统,开展了两路合成实验。当入射极角等于自准直入射角,入射方位角为6°时,光栅衍射效率近似等于光束自准直入射时的衍射效率。基于锥面衍射原理,对中心波长为1050.24 nm和1064.33 nm的两束光纤激光子束进行合成,入射极角为43.99°,测得合成效率为92.9%,较基于非锥面衍射的双光栅光谱合成系统的合成效率提高了8.8%;测得合成光斑光束质量Mx 2=1.204,My 2=1.467,与基于非锥面衍射的双光栅光谱合成系统输出光斑光束质量基本一致。     

光导板中新型衍射元件的数值模拟研究

基于严格耦合波理论,数值计算了一种在闪耀斜面镀膜的亚波长光栅结构,并首次提出将该光栅应用于光导板的设计中,使光导板衍射的RGB光束无需经过滤色片,直接透射相应的像素点。在数值计算中,设定入射光为TE偏振态、入射角为60°、波长为RGB三基色。光栅以有机玻璃为基底,二氧化钛为膜层,并随波长改变周期、闪耀角等参数。计算结果表明,该光栅的一级衍射光可垂直于表面出射,一级衍射效率随膜厚渐变,最高达37%,其余非零级次的衍射效率低于2%。将该特性的光栅应用于新型光导板的数值建模中,并对光栅的制作进行了工艺容差分析,计算得归一化能量的标准差小于1%,总衍射效率接近80%。     

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。     

透射衍射光栅内全反射级次

当前高功率激光装置系统中, 国内使用透射式衍射光栅进行光束采样, 国外甚至使用光栅聚焦并同时结合谐波分离和采样功能. 高功率激光辐照下, 除了0级透射打靶光以及目标取样光外, 其他级次衍射光的影响也不可忽视, 可能造成诸如鬼像聚焦破坏、时间脉宽测量不稳定、近远场测量噪声等问题. 尤其是透射衍射光栅内部全反射级次会导致光栅出射一系列规律的衍射花样, 造成上述干扰和危害. 首先理论上针对透射式光栅(包括取样光栅和聚焦光栅)进行了相应的计算和分析, 然后从实验上观察并测量了取样光栅内部全反射级次的现象, 并且结合镀减反膜前后的衍射现象进行了讨论, 最后分析并给出了如何消除或规避全反射级次和其他冗余级次影响的方法.     

高功率激光器的光谱合束技术研究北大核心CSCD

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。     

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.     

高功率非相干光纤激光组束方法研究

提高非相干光纤激光组束功率需要较高的光栅衍射效率,通过理论分析和数值仿真,结果表明光栅衍射效率对组束中心波长不敏感,而随着组束波长带宽的增大而急剧减小。为了增加可参与组束的光纤激光器数目,同时确保较高的光栅衍射效率,应将光栅频率f控制在200~400mm-1,光栅厚度t在1~2mm,理论上可以获得10kW量级的组束激光。     

高功率全光纤激光器特性

介绍了采用国产光纤光栅研制的全光纤激光器,单端泵浦获得468 W的连续激光输出。从理论上分析了光纤光栅的反射率与波长的关系,计算了输出谱宽值,与实验测得的数据相符。全光纤激光器的光-光转换效率达到70%,且随着功率的增加,光纤光栅的中心波长有向长波方向漂移的趋势。在最高输出功率下180 s之内输出功率波动在0.04%以内。     

用于高能啁啾脉冲压缩的光子晶体光栅的设计

 为了克服目前高能短脉冲装置压缩光栅的损伤阈值无法满足要求的问题,针对星光Ⅲ装置皮秒激光束的压缩器,设计了由熔石英材料构成的、具有较高损伤阈值的光子晶体光栅,该光栅由2维光子晶体和表面光栅结构两部分组成,具有高反射效率和强角色散的能力。计算结果显示:经过优化设计的光子晶体光栅在波长1 053 nm,57°～77°的入射范围内,-1级衍射效率超过了92%,而当入射角为71°时,在1 040～1 090 nm光谱范围内,-1级衍射效率超过92%,性能满足使用要求。     

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     

Volume Bragg grating stabilized spectrally narrow Tm fiber laser

A Tm-doped large mode area (LMA) silica fiber laser has been locked to a stable wavelength of 2,053.9 nm using a volume Bragg grating (VBG). The measured spectral width of the laser output was <300 pm, limited by the spectrometer resolution. Although this laser had modest output (approximately 5W) and slope efficiency (41%), this new approach to spectrally limiting the output of LMA fiber lasers is inherently extendable to kilowatt powers, opening up several applications including high-power pulsed fiber lasers and spectral beam combining. Performance characteristics of the laser compared to one using a dielectric mirror as a high reflector are described, and the results imply low VBG losses.     

Narrow-wavelength-spread spectral combining laser with a reflector for a double pass with a single grating

We proposed a novel wavelength-spread compression technique for spectral beam combining of a diode laser array. A reflector, which is parallel to the grating, is introduced to achieve a double pass with a single grating.This facilitated the reduction of the wavelength spread by half and doubled the number of combined elements in the gain range of the diode laser. We achieved a power of 26.1 W under continuous wave operation using a19 element single bar with a wavelength spread of 6.3 nm, which is nearly half of the original wavelength spread of 14.2 nm, demonstrating the double-compressed spectrum capability of this structure. The spectral beam combining efficiency was 63.7%. The grating efficiency and reflector reflectance were both over 95%; hence, the efficiency loss of the double-pass grating with a reflector is acceptable. In contrast to double-grating methods,the proposed method introduces a reflector that efficiently uses the single grating and shows significant potential for a more efficient spectral beam combining of diode laser arrays.     

窄线宽、高光束质量的外腔双反馈激光二极管阵列(英文)

设计了一种离轴双反馈外腔能够有效地改善激光二极管阵列的线宽和光束质量。闪耀光栅和高反镜之间形成了一个共振腔。通过调整光栅和高反镜之间的倾角可以选定一个空间模在共振腔中放大。将一个半波片插入外腔中的光栅反馈支路,来控制反馈光的数量,激光从光栅反馈支路输出。运用这项技术,在工作电流16 A,可以把激光二极管阵列的输出线宽压缩到0.15 nm,光束束宽积减小到283 mm.mrad。由于光栅的锁定作用,中心波长几乎不随温度的变化而改变。在工作电流17A时,输出激光的功率为2.44 W,斜率效率为0.5 W/A。