利用Kagome光纤实现多芯光子晶体光纤的输出合束

多芯光纤的输出光束只能在远场和焦点附近实现良好的同相位超模合束,这种超模传输特性大大影响了多芯光纤的应用范围.一种新型中空Kagome光纤为解决这一难题提供了可行的方案,利用中空Kagome光纤可以实现七芯光纤输出模式的整形合束.本文利用中心波长800 nm的钛宝石飞秒激光作为激光源,耦合入七芯非线性光子晶体光纤,得到700 nm至1050 nm的展宽光谱,并实现同相位超模输出.随后,将非线性展宽之后的宽谱七芯光束耦合至Kagome光子晶体光纤中,从Kagome光纤输出光斑呈高斯分布的模式传输,不再演变回七芯模式,耦合效率71%.实验还进一步验证此方法适用于不同结构的多芯光纤,为多芯光纤在高功率激光等领域的应用提供了参考.     

天文光纤机械扰模器调制环形光场的实验研究

光纤入射光束的角度和位置的变化对光纤出射光束的远场光强分布有较大影响。通过分析光纤出射光场的光强分布,研究了斜光束的偏轴角对光纤出射光场的影响。光纤耦合理论说明光纤的宏弯曲会使光纤内部模式相互耦合,根据这一原理设计一种能使光纤宏弯曲并以此来改善光纤出射场分布的机械扰模器。在实验中,对不同偏轴角入射及处于不同扰模程度的光斑进行中值滤波、高斯拟合等处理,得到光斑的径向光强分布曲线、高斯拟合度、不同出射焦比范围的能量变化等参数,以此分析机械扰模器的扰模效果。     

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。     

光锥导光装置耦合效率分析与测试

介绍了光锥导光装置的优势,分析了影响光锥导光装置耦合效率的主要因素,得出了影响光锥导光装置耦合效率的理论模型误差曲线。以光锥端面反射损耗及光纤辐射损耗为主要误差源,测试了光锥导光装置的耦合效率及误差对耦合效率的影响;采用分光比标定的方法测量导光装置的耦合效率,消除了由于激光器输出能量变化给试验中脉冲能量测量环节带来的影响;根据试验测量数据,拟合出误差对耦合效率的影响曲线,通过与理论误差曲线进行对比,验证了理论模型的正确性,同时测得该耦合装置的耦合效率为70．26％。在激光束的入射角度误差〈5°,且在光纤耐受弯折允许范围内甩动光纤的情况下,总误差对耦合效率的影响〈10％,满足实际工程误差的允许范围。该耦合装置已经应用到实际工程中。     

基于轴锥镜对的高光能利用率激光通信天线性能分析

提出一种增加轴锥镜对的同轴反射式光学结构激光发射天线方案,通过对入射光束的光强重新排布,降低同轴反射式结构固有的中心遮拦造成的能量损失,提高光能利用率.运用衍射光学原理分析并模拟了单色高斯光束经过轴锥镜对后传播至天线光阑平面处的光场分布,比较了普通同轴反射式天线和高光能利用率天线在不同入射光束腰半径、不同线遮拦比下的发射光能利用率.结果表明:高光能利用率天线在线遮拦比0.1和0.25的情况下,通过合理调整入射光束腰大小,光能利用率分别可达到99%和96%以上,远高于传统的同轴反射式天线.分析了高光能利用率天线发射光束的远场光强分布,发现其进入接收天线口径内的光场可近似为平顶分布.     

Theoretical Analysis and Experimental Study on Generation of a Dark Hollow Beam by a Micron-sized Hollow Optical Fiber

ＴｈｅｏｒｅｔｉｃａｌＡｎａｌｙｓｉｓａｎｄＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌＳｔｕｄｙｏｎＧｅｎｅｒａｔｉｏｎｏｆａＤａｒｋＨｏｌｏｗＢｅａｍｂｙａＭｉｃｒｏｎ┐ｓｉｚｅｄＨｏｌｏｗＯｐｔｉｃａｌＦｉｂｅｒＷＡＮＧＷｅｎｂｏ１，２ＧＡＯＷｅｉｊｉａｎ２ＹＩ...     

三角结构三芯光子晶体光纤中的模式耦合特性分析

基于耦合模理论,得出了三角结构三芯光子晶体光纤(TTC-PCF)的耦合模方程.数值模拟研究了该结构中纤芯间的定向耦合特性,分析了光纤结构及入射波长对耦合系数的影响以及入射光振幅比对纤芯间能量耦合特性的影响.结果表明,通过调节入射光振幅比可实现对纤芯间耦合强度的连续调节.对比了耦合模理论与束传播法得到的结果,两者表现出很好的一致性.结合TTC-PCF展现的独特耦合传输性能,讨论了其在耦合强度连续可调光纤定向耦合器和大模场光纤激光器的设计与制备等方面的可能应用前景.     

Design for broadband high-efficiency grating couplers

In this Letter, we propose general optimization methods to design broadband high-efficiency grating couplers for planar waveguides. We attribute the coupling bandwidth to the mismatch of effective indices between the diffracted beam and the actual grating structure around the operation wavelength for fiber to waveguide excitation. The coupling bandwidth formula is deduced. A simple parameter-separate optimization procedure is proposed for general layered grating couplers for high coupling efficiency. Using our principle, we optimized a grating coupler for a horizontal slot waveguide operating at wavelength 1.55 μm for TM polarization. The grating coupler has 1 dB bandwidth of 60 nm and coupling efficiency of 65% with incident light from single-mode optical fiber (SMF) at 8°.     

锥形透镜光纤聚焦特性研究

锥形透镜光纤(TLF)是实现光纤与平面光波光路(PLC)芯片高效耦合的核心元件。了解和掌握其聚焦特性是指导平面光波光路尾纤封装技术的关键。给出了表征锥形透镜光纤聚焦特性的两个参量出射光斑直径和远场发散角的理论分析模型,其误差小于1.14%;采用光束传播法数值模拟了锥形透镜光纤中的光波传输和模斑的演化,确定了锥形透镜光纤端面出射光斑的大小;优化锥形透镜光纤结构参量为:拉锥长度300μm,锥角0.733°,透镜曲率半径13.485μm;建立了基于数字摄像机的锥形透镜光纤出射光场测试系统,提出了物理光学反向推演法,计算出锥形透镜光纤聚焦光斑尺寸和远场发散角。理论与实验结果有着良好的一致:对于相同结构参量的锥形透镜光纤,实验反推法得到的出射光斑尺寸与理论值相比误差为3.15%,远场发散角误差为3.67%。     

基于非球面透镜的空间光场光纤耦合系统研究

针对全光纤激光雷达中空间光场与单模光纤的耦合问题,设计了基于非球面透镜的望远镜光纤耦合系统.利用ZEMAX软件以单模光纤耦合效率为优化目标对其结构参量进行优化设计,然后分别用LED和激光器作为光源进行初步实验,比较直接耦合和非球面透镜耦合效果.实验结果表明,采用非球面透镜耦合可使多模光源的耦合效率比直接耦合增加约47％,与仿真结果45％非常接近,且不同芯径耦合光功率之比大略等于芯径比平方;而该耦合方式可使单模光源的耦合效率增加约20％,且耦合进不同小芯径光纤的耦合效率之比约为其芯径比平方的2.4倍,这对构建全光纤转动喇曼激光雷达系统具有重要意义.     

Diffractive-optics-based beam combination of a phase-locked fiber laser array

A diffractive optical element (DOE) is used as a beam combiner for an actively phase-locked array of fiber lasers. Use of a DOE eliminates the far-field sidelobes and the accompanying loss of beam quality typically observed in tiled coherent laser arrays. Using this technique, we demonstrated coherent combination of five fiber lasers with 91% efficiency and M2=1.04. Combination efficiency and phase locking is robust even with large amplitude and phase fluctuations on the input laser array elements. Calculations and power handling measurements suggest that this approach can scale to both high channel counts and high powers.     

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。     

Efficiency and optical feedback of traveling-wave semiconductor laser amplifier to single-mode fiber coupling: Theory and experiment

This paper analyzes the coupling efficiency and optical feedback of the tapered fiber end with a high-index hemiellipsoidal microlens. Such a device has been used as a coupler of traveling-wave semiconductor laser amplifier (TW-SLA) to single mode fiber (SMF).

A theory of the calculation of coupling efficiency and optical feedback is presented including the effects of spherical aberration and Fresnel reflection of thick lens. In consideration of the large beam divergency of the TW-SLA chip, the finite transmission aperture is introduced.

The calculations are in agreement with experiment results and a group of optimum structure parameters of the coupler are given.     

A novel technique for laser diode to single mode fiber coupling

An optical fiber coupler based on the semi-linear passive phase conjugate mirror is analyzed. The threshold coupling strength is determined from theoretical considerations. An estimate of 50% for the overall coupling efficiency is made, assuming there is good mode matching between the light incident on the fiber and the propagating mode. The coupler exhibits a high degree of alignment insensitivity allowing for simple manufacture.     

High-power Er:YAG laser with quasi-top-hat output beam

A simple method for simultaneously exciting the fundamental (TEM00) transverse mode and first order Laguerre-Gaussian (LG01) donut mode in an end-pumped solid-state laser to yield a quasi-top-hat output beam is reported. This approach has been applied to an Er:YAG laser, in-band pumped by an Er,Yb fiber laser, yielding 9.6 W of continuous-wave output at 1645 nm in a top-hat-like beam with beam propagation factor (M2)<2.1 for 24 W of incident pump power at 1532 nm. The corresponding slope efficiency with respect to incident pump power was 49%. The prospects of further scaling of output power and improved overall efficiency are considered.     

稳定耦合效率的沟槽结构半导体激光器

为了稳定半导体激光器激射光束在光纤传输过程的耦合效率,提出一种沟槽结构的半导体激光器,并对该结构激光器的光束、耦合效率及P-I特性进行研究。在普通条形半导体激光器的脊形区刻蚀了周期性的沟槽结构,来改善半导体激光器有源区的增益分布。通过对比普通结构与沟槽结构半导体激光器的光束分析,测试其耦合效率以及P-I特性。结果表明:沟槽结构的半导体激光器能够使光腔内模式更加稳定,输出光束更加集中,并避免了"Kink"效应的发生;与此同时,耦合效率提高至97.7%,并且较普通结构激光器更为稳定。沟槽结构半导体激光器有效地解决了光斑跳动问题,稳定了激光器的耦和效率。     

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。     

影响石英单模光纤数值孔径测量的因素及分析

本文采用远场光斑法和光强法测量了石英单模光纤的数值孔径.实验结果表明,由光纤耦合条件不同导致的光斑形状变化,对数值孔径的测量影响不大,单模光纤的纤芯直径小,导致出射光存在较强的衍射现象,对数值孔径的测量造成较大的影响,无论采用光斑法还是光强法,需以衍射第1次极大为计算标准,尽量选择光斑中心为亮斑时测量其数值孔径.此外,用远场光斑法进行测量时,观察屏到光纤的距离要合适,太短或太长都会增加实验误差.     

Spatial coherence properties and directionality of partially coherent cosh-Gaussian beams

Based on the theory of optical coherence, the spatial coherence properties and directionality of partially coherent cosh-Gaussian (ChG) beams are studied. It is shown that unlike Gaussian Schell-model (GSM) beams, in the strict sense there do not exist partially coherent ChG beams which may produce the same far-field radiant intensity distribution as a fully coherent laser beam. However, under certain conditions it is possible to find partially coherent ChG beams with the same far-field radiant intensity distribution as a fully coherent laser beam.     

纤芯圆对称分布多芯光纤的耦合特性

通过将标准单芯单模光纤与纤芯圆对称分布的多芯光纤的一个纤芯对准熔接后,再在多芯光纤任意位置进行热熔融拉锥,实现多芯光纤光功率的高效耦合注入和光功率在各个纤芯中分布比例的控制,解决了由于多芯光纤结构的特殊性引起的光源光功率难于直接注入的问题。基于光纤耦合模理论建立多芯光纤各纤芯之间的耦合模方程,得到各个纤芯中光功率与耦合长度之间的关系曲线,并与实际耦合实验结果对比,验证该方法可行。研究结果可为多芯光纤光学器件的发展提供潜在的应用价值。