基于半导体激光合束技术的高功率加热光源

随着合束技术的发展以及单元芯片功率的提升,半导体激光器在激光加工领域越来越彰显自身的优势.针对激光加工领域中玻璃纤维筋材热固化的需求,采用18 W单管激光器作为单元模块,通过空间合束、偏振合束,以及光束整形技术,获得了输出功率大于2 kW、波长915 nm、光斑尺寸为700 mm×10 mm的半导体激光加热光源,满足该领域对高功率、长光斑激光加热的需求.     

大功率半导体激光器发展及相关技术概述

激光被称为"最快的刀"、"最准的尺"、"最亮的光",与原子能、计算机、半导体并称为20世纪新四大发明。大功率半导体激光器在工业加工、医疗美容、光纤通信、无人驾驶、智能机器人等方面有着广泛的应用。如何实现大功率半导体激光光源,一直以来都是国际的研究前沿和学科热点。为此,简述了大功率半导体激光器的发展历史,综述了大功率半导体激光器的共用技术,包括大功率芯片技术和大功率合束技术,并对大功率半导体激光的发展方向进行了展望。     

高功率蓝光半导体激光加工光源EI北大核心CSCD

针对目前铜、金等金属材料加工的实际应用需求,开展了连续输出功率500 W的光纤耦合输出蓝光半导体激光加工光源研究。基于平面窗口TO封装的蓝光半导体激光单管器件,设计采用长后工作距的快轴准直镜和慢轴准直镜分别准直,获得低发散角、高光束质量的单元准直光束;结合二维空间合束、偏振合束和光纤耦合,将144个蓝光单管器件耦合进200μm/NA 0.22光纤,通过ZEMAX软件对半导体激光光路进行光线追踪模拟;并从实验上实现,3 A电流驱动下,200μm/NA 0.22光纤输出连续功率523 W,电光转换效率29%。该激光光源具有直接加工铜、金等材料的能力。     

大功率半导体激光器光谱合束光栅热效应分析

提出了一种大功率半导体激光器光谱合束光栅仿真模型。该模型针对光谱合束中的核心器件光栅的光-热-应力变化特性进行了分析。数值分析结果表明,当激光巴条功率为200 W,自然对流系数为10 W·(m2·K)?1时,衍射光栅上温度最高点可升高至346.52 K,应力最高点可升高至0.4825 Pa,光栅表面变量最高为52.28 nm/mm,这将会使得反馈光束中心位置发生0.25～0.3 mm的偏移,从而影响激光功率以及合束效率。减少衍射光栅基底厚度,在相同激光光源条件下工作,温度、应力、面形以及应变的变化均能有效抑制,这与实验结果具有较高的一致性。该方法为大功率半导体激光器的结构设计和光学器件的测试分析提供了有效的多物理场分析,为激光器设计和测试提供了综合分析数值模型。     

大功率半导体激光器研究进展

对半导体激光器的发展历史和发展现状进行了综述,并具体介绍了长春光学精密机械与物理研究所近年来在大功率半导体激光器方面所取得的主要进展,特别是在大功率半导体激光器的激光光源、垂直腔面发射激光器和新型激光器芯片等方面。     

基于光纤合束器件的高功率全光纤相干合成技术研究进展与展望

介绍了目前研究中相干合成多采用空间结构的研究现状,分析了空间结构的相干合成方案需要复杂的光路调节且长时间工作稳定性欠缺,肯定了基于光纤合束器件的全光纤激光相干合成在相干合成光源中的稳定性与实用性,梳理了近年来基于光纤合束器件的全光纤激光相干合成方案,分别介绍了基于光纤耦合器、光子灯笼、相干信号合束器以及基于自成像效应实现全光纤合束的技术方案及研究现状,分析了不同光纤器件目前的主要限制因素和发展瓶颈,并展望了未来的发展方向。     

基于RGB三基色半导体激光的高功率白激光光源

基于红绿蓝(RGB)三基色直接半导体激光器合成的白激光光源具有转换效率高、显色指数好、输出功率高等优点,是新一代的理想照明光源和显示光源之一。基于RGB三基色半导体激光器件,通过空间合束、波长合束等,三基色光耦合进单光纤,光纤输出合束光功率超过100 W。根据色度学原理进行颜色功率配比,获得了功率达63 W、色温为5 710 K的白光输出,与标准白光D_(65)相比色温偏差小于12.2%。在此基础上,调整红色激光输出功率,获得了功率达58.4 W、色温为6 480 K的白光输出,与标准白光D_(65)相比色温偏差小于3.08%。基于该光源,通过调整激光功率配比,可实现不同色温的合束激光输出。     

激光在农业中的应用

激光是一种新型光源,激光是受激辐射光放大产生的一种单色性、方向性和相干性都很好的强光光束。激光器是20世纪的重大发明之一,是人造光源的一次革命。自1960年美国的梅曼发明了第一台红宝石激光器以来,在激光产生短短的几十年时间里,无论是在激光理论还是在激光技术、激光的应用等方面都取得了突飞猛进的发展。激光已经在工业、国防、医学等领域获得愈来愈多的应用。近10年来,激光在农业中的应用也取得了可喜的成果。     

高效率半导体激光器光纤耦合模块

随着半导体激光光源在激光加工领域的应用不断扩展,以激光二极管阵列制成的光纤耦合模块由于存在耦合效率低的缺点,已不能满足激光加工低成本的需求,因此研制高耦合效率的半导体激光器光纤耦合模块变得十分重要。本文将8只波长为808 nm、输出功率为5 W的单管半导体激光器通过合束技术耦合进光纤,制备了一种高效率的半导体激光器光纤耦合模块。光纤芯径为200 μm、数值孔径(NA)为0.22,光纤输出功率为33.2W,耦合效率超过83%,这种高效率半导体激光器光纤耦合模块,可用于激光打标、塑料加工等领域。     

半导体激光阵列谱合束系统中光束串扰物理机制分析

在外腔反馈半导体激光谱合束系统中,由于半导体激光阵列的“smile”效应、外腔中光学元件制作误差等因素,激光阵列一子单元发射光束经过外腔返回注入其他子单元,在两子单元之间形成光束串扰并影响合束特性.本文从耦合腔光束谐振角度出发,基于光反馈半导体激光器速率方程,构建了耦合腔谐振模型,推导了激光器稳态输出时能在耦合腔中起振的光束模式.结合耦合腔模式竞争机制与耦合腔谐振模型分析由两子单元间距变化引起的不同串扰对锁定光谱和合束效率的影响.结果表明子单元间的串扰行为会造成光谱峰值下降、光谱偏移、边缘毛刺以及合束效率劣化.相比距离更远的两子单元之间的高阶串扰,距离更近的两子单元间的低阶串扰对合束特性的劣化程度更大.最后,为证明该模型的正确性和有效性,对所得分析结果进行了实验验证,实验观测到在串扰影响下的光谱结构与理论分析一致.     

808nm大功率半导体激光迭阵偏振耦合技术

随着半导体激光器在工业、军事、核能等领域的应用越来越多,单个迭阵输出的光功率密度已经不能满足实际的需求,这就需要将多个半导体激光迭阵的光束耦合成为一个共同的光束,以提高输出功率和亮度.所以采用怎样的光束耦合技术能实现高亮度、高质量的激光输出就成了一个关键性的问题.对于该技术的研究,国内还没有实验方面的报道.主要介绍了大功率半导体激光器偏振耦合原理、实验的技术路线,以及对808nm半导体激光迭阵进行耦合实验的结果及分析.对2个bar、功率为40W/bar的808nm连续半导体激光迭阵,实现偏振耦合的总效率超过90%,聚焦得直径为3mm光斑,输出功率达到134W,总体效率超过84%.对7个bar、峰值功率100W/ba、r占空比20%的808nm准连续半导体激光迭阵进行了偏振耦合,其效率达到67%,得到4.5mm×4.5mm的光斑.     

High power fiber lasers

In this review article, the development of the double cladding optical fiber for high power fiber lasers is reviewed. The main technology for high power fiber lasers, including laser diode beam shaping, fiber laser pumping techniques, and amplification systems, are discussed in detail. 1050 W CW output and 133 W pulsed output are obtained in Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics, China. Finally, the applications of fiber lasers in industry are also reviewed.      

高功率皮秒紫外激光器新进展

高功率皮秒紫外激光器在高精密加工、激光医疗、光电对抗和光伏产业等领域有重要应用,近年来成为固体激光新光源研究热点。本文对国内外基于和频技术的高功率皮秒紫外激光器研究新进展进行了归纳和总结。首先,阐述了和频工作原理,介绍了和频产生皮秒紫外激光的非线性晶体;然后,介绍了国内外高功率皮秒紫外激光器的新进展,包括:高功率皮秒紫外激光器、高峰值功率皮秒紫外激光器、高功率和高峰值功率皮秒紫外激光器。最后,展望了高功率皮秒紫外激光器的进一步发展及应用。归纳和总结表明:高功率皮秒紫外激光器在国外较成熟,国内在该领域的研究刚刚起步。光子晶体光纤和碟片激光器输出基频光的皮秒紫外激光器有突出的优势,已成为皮秒紫外激光产业的主力军。     

880nm半导体激光主动照明光纤耦合模块

为降低半导体激光主动照明红曝,选择波长880 nm大功率半导体激光器作为新型激光主动照明成像系统光源。根据光纤耦合过程光参数积不变原理,研制出波长880 nm大功率半导体激光器阵列单光纤耦合模块,利用光纤匀光作用使激光光束匀化整圆后用于激光主动照明。首次在波长880 nm大功率半导体激光器上采用阶梯反射镜光束整形方法,使激光光参数积与光纤匹配,激光高效耦合进入纤芯400μm、数值孔径0.22的光纤。室温条件下光纤耦合模块连续输出功率44.9 W,电光转化效率35%,波长880 nm大功率半导体激光器阵列光纤耦合模块,不仅其红曝小而且对应CMOS图像传感器光谱响应度较高,系统成像质量好。     

Lasers as Light Sources for Analytical Atomic Spectrometry

Abstract

Lasers have advantages compared to conventional light sources, which include high power, a monochromatic emission profile, stability, and rapid tuning across an atomic line. These advantages have resulted in superior analytical figures of merit and methods of background correction compared to conventional light sources. The most widely used lasers for atomic spectrometry include dye laser systems, optical parametric oscillator systems, and diode lasers. Three principal techniques employ lasers as light sources. Laser‐excited atomic fluorescence spectrometry (LEAFS) involves the use of laser light to excite atoms that emit fluorescence and serves as the analytical signal. Laser‐enhanced ionization (LEI) involves laser excitation of atoms to an excited state energy level at which collisional ionization occurs at a higher rate than from the ground state. Diode laser atomic absorption spectrometry (DLAAS) employs a DL as a source to excite atoms in an atom cell from the ground state to an excited state. The analytical signal is involves the ratio of the incident and transmitted beams. Recent applications of these techniques are discussed, including practical applications, hyphenated techniques employing laser‐induced plasmas, and work to characterize fundamental spectroscopic parameters.     

双光子吸收碱金属蒸气激光器研究进展

蓝紫激光和中红外激光在基础研究和国防工程中有重要的应用前景。单光子吸收的碱金属蒸气激光器具有量子效率高、受激发射截面大和热管理性能好等优点,近些年来已成为激光领域中研究热点之一,目前已实现k W量级的输出。双光子吸收的碱金属蒸气激光器可实现蓝紫激光和中红外激光级联输出的特性,也引起越来越多的关注。本文从碱金属原子密度、泵浦光功率、偏振和频率失调量以及调控激光等几种影响因素出发,综述了双光子吸收碱金属蒸气激光的研究进展,在此基础上分析了影响激光输出特性的原因,最后对双光子吸收碱金属蒸气激光器的发展趋势进行了展望。     

46.2W连续输出808nm高功率无铝半导体激光线阵模块

利用InGaAs/InGaAsP应变量子阱外延材料制作出高功率半导体激光器线阵模块,前腔面镀制了单层Al₂O₃,后腔面镀制了Al₂O₃/5(HfO₂/SiO₂)/HfO₂,采用无氧铜热沉和高效率的液体冷却器散热。在室温下,驱动电流50A时输出功率高达46.2W,最高电光转换效率41.3%,斜率效率1.15W/A。器件中心激射波长810nm,波长温度系数为0.28nm/℃,光谱半峰全宽(FWHM)₃nm,寿命突破11732h。     

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。