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.     

半导体激光器在激光遥控制导中的空间耦合

针对高功率脉冲半导体激光器的远场特点,及激光制导对激光功率密度和光斑均匀性的要求,给出多孔径空间耦合方案并对其优点进行理论分析;针对纳米叠层芯片高功率半导体激光器偏振特性,基于偏振复用的原理,进行2支高功率半导体阵列激光器的偏振合束研究。通过试验得出结论:偏振耦合后系统输出光功率几乎2倍于单个激光器输出功率,采用多孔径耦合及偏振耦合均能满足遥控制导光斑要求。     

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.     

基于LD激发荧光粉白光光源的窄光束照明光学系统设计

蓝光半导体激光器激发荧光粉产生白光光源技术发展迅速，但由于大功率蓝光半导体激光器在快轴、慢轴方向的光场分布差别较大，使得日前激光照明整体光学性能仍旧较差，难以实现大规模推广应用。针对该问题，设计了一款高质量激光照明光学系统，基于蒙特卡洛光线追踪理论，对激光光束进行准直调控、均匀光斑整形以及对荧光片进行设计，使得整体光源模块各元件得到最佳整合，最终实现了窄光束激光照明。仿真结果表明:激光光源的光收集率达98.3%，激光光斑的不均匀度为1.7%，白光均匀度为98%，光斑是出射准直角为1.6°的方形窄光束白光光斑。     

固体激光器光束合成特性分析

光束合成是研制高功率、高光束质量固体激光器的必由途径.建立板条介质固体激光器阵列光束合成的理论模型,从子束间距、整体相位差、偏振态、随机像差等方面,分析了合成光束的远场特性.通过数值模拟可以看到,子束间距决定了合成光束远场光斑的衍射旁瓣的大小和多少;子束间整体相位差决定着合成光束远场中心光斑是否分离,并影响着峰值光强和...     

射频板条CO2激光器输出光束的光学变换

射频激励板条CO2激光器输出激光近场光斑近似为一条线,远场光斑为O形图样。在垂直于光束传输方向的平面内,光束在一个方向发散很大,无法用于激光加工。根据激光器不同的激光功率级别及光束尺寸,分别采用了圆柱面镜、滤波光阑、扩束望远镜等不同组合的方法,将200 W激光器输出光束变换成远场光束为Φ6、近似TEM00模的圆形光束,500 W激光器远场光束为Φ10的低阶模的圆形光束。成功用于激光切割。     

产生钠导引星星群的钠信标激光合/分束技术

研究了脉冲光束的偏振和时序非相干合成技术,通过偏振合束器将两路50 W级500 Hz的589 nm钠信标激光在空间上合为一束光线,成功突破了100 W级μs脉冲全固态钠信标激光输出;利用脉冲激光同步延时器控制两路激光脉冲的时序,使其按先后顺序合成一束脉冲激光,重复频率提升到1 kHz。合束后的激光光束质量M²约为1.41,与单光束的光束质量基本保持一致,光斑抖动性约为40μrad,可满足激光钠导引星自适应光学系统的应用需求。与传统的相干合成方法相比,该偏振和时序非相干合成方案具有结构简单、稳定、效率高的优点,且整个系统无需复杂的相位控制机制,为脉冲激光功率扩展提供了新途径。基于上述技术基础,结合自主提出的精密偏振分光专利技术,在丽江天文台通过一台发射望远镜将四束25 W/束的μs脉冲黄激光发射到钠层,成功产生了四颗钠导引星,这一结果将有助于推动大型地基光学望远镜中多层共轭自适应光学技术的发展。     

子束排列方式对固体激光器光束合成特性的影响

 建立了固体激光器矩形光斑光束合成的理论模型,对诺·格公司给出的2束、4束、8束合成实验结果进行分析,并通过数值模拟,得到了不同子束排列方式下合成光斑的远场图形。通过仿真模拟可以得出:排列结构影响远场光斑的形状;子束间距决定了合成光束远场光斑的衍射旁瓣的大小和多少。采用环围能量进行分析,研究了远场光斑中主瓣能量随激光阵列占空比的变化。结果显示,远场光束环围功率随子束间距的增大而逐渐下降,而且参与相干合成子束越多,下降越大。     

双光栅实现半导体激光阵列波长组束

在波长光束组合基础上,用一个光栅和一个准直透镜代替传输透镜,可以有效地减小单个发光单元光束质量的退化,明显地克服相邻发光单元的反馈串扰,实现了较窄线宽的光谱组束输出。采用标准的半导体激光阵列,连续输出激光功率44.8 W,电光转换效率最高38.9%,光谱线宽为4.1nm。光束慢轴方向光束质量因子为11.7,快轴方向光束质量因子为1.37,快慢轴两个方向都接近单个发光单元光束质量。     

基于小角度V形腔光谱合束的半导体激光器和频

通过小角度V形腔外腔光谱合束将两个808 nm半导体激光器合束,提高半导体激光器的输出功率及光束质量。两个合束单元分别工作在795.8 nm和800.5 nm,将所获光束通过非线性光学方法进行频率转换。外腔光谱合束实现输出功率为6.5 W快慢轴光束质量M²=2.2×18.5的光束输出,所获光束慢轴M²因子相较于自由运转单管激光器提高了30%,外腔光谱合束效率为83%。基于所获光源,实现了半导体激光器小角度V形腔外腔光谱合束和频,获得输出功率为18.3 mW波长为401.0 nm的蓝光输出,和频效率为0.28%。     

机载大功率半导体激光信标系统设计

为配合地面探测跟踪系统对飞行目标的探测,设计了一种以４０ Ｗ 紧凑型半导体激光器为光源、具有一定发散角的机载式单色信标系统。由于系统要满足机载平台加装体积小、质量轻、散热好的要求,设计了一体成型的鳍片式壳体结构,解决系统散热问题的同时,控制了整体质量。为实现在有限体积内,４０ Ｗ 单阵列光纤耦合半导体激光器模块所需的６０A 大电流恒流驱动,采用叠相调制技术和同步ＢUＣＫ 变换电路结构;为解决激光器在高空低温环境下输出光功率和中心波长能够稳定控制的难题,设计了数模混合双向温控系统。利用ＺEMAX 软件设计了双凹透镜组结构的扩束装置,实现了对激光发散角的发散和可调节。通过环境考核测试,系统在０℃～１５℃的低温环境下,输出光功率稳定度和波长控制精度均能满足要求。     

直角棱镜平面反射衰减在激光光束诊断中的应用研究

论述了普通光学元件-直角平面反射镜在激光光束诊断中的应用,提出了利用直角棱镜的直角面反射进行光能衰减,详细论述了采用该方法进行光能衰减的可行性,分析了平面反射衰减法在激光束诊断中对测光束的影响,讨论了激光束发散角在直角面反射中的影响,结合半导体光束诊断进行了应用分析.实验证明,该方法结构简单,误差小,调整方便,利用普通反射棱镜直角面衰减即可满足激光强度的匹配要求,实现了待测激光束的无失真取样,达到了很好的测试效果.     

柱透镜和弯月透镜实现半导体激光器光束整形

针对半导体激光器的发光特点,设计了半导体激光器的光束整形系统。首先采用柱透镜准直和偏转沿Y轴发散的光束;然后再采用望远系统对X轴发散的光束进行准直和扩束;最后采用弯月透镜对发射光束压缩,实现半导体激光器的光束整形,降低光束发散角,提高光束质量。利用ZEMAX软件模拟系统,结果表明,整形后输出光束沿X轴和Y轴的发散角变为4.922mrad,输出光斑直径为1.2707mm,整形系统总长度为65.6618mm,各元件的最大直径为20.52mm,输出光束质量和系统结构都优于同类产品。     

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。     

发散光长程空气传输受激转动拉曼散射效应

研究强激光长程空气传输受激转动拉曼散射(SRRS)效应,寻求抑制措施是高功率固体激光驱动器建造中需要解决的关键问题之一。采用数值模拟的方法研究了发散光长程空气传输SRRS效应的演化规律,通过几何近似理论推导了该效应有效建立时的强度距离乘积阈值和抑制判据。结果表明:发散光长程空气传输SRRS效应的建立速度小于平行光,二者阈值有理论关系;能够有效抑制SRRS效应的发散角设计判据由光束口径、激光强度及安全传输距离决定。     

一种大功率宽波段激光束散角的校准测试方法

在大功率激光系统的评价与分析中,激光器的光束品质是系统光束品质的决定性因素,也是激光器验收、鉴定的重要指标,其中束散角是判别激光光束质量的重要参数。本系统测试激光波长的范围比较宽,一般在0.532μm～10.6μm之间,没有合适的探测器能够覆盖整个波段,所以采用了一种新的方法来解决宽波段束散角的测量问题。选用CCD成像和扫描狭缝相结合的方法来实现宽波段激光光束束散角的测量,可见光和近红外波段（0.532μm～1.2μm）激光光束采用CCD法测量激光束散角,中红外波段（1.2μm～10.6μm）激光光束采用扫描狭缝法测量激光束散角。两种方法的结合可以较为精确地测量出不同波段的激光束散角。     

940 nm low beam divergence tapered window laser arrays

The structures of 940 nm low vertical beam divergence semiconductor lasers grown by molecular beam epitaxy are presented. The high power laser consists of an array of closely spaced tapered waveguides giving lower parallel beam divergence and window structure. The emission wavelength is 939 nm. The FWHM of the far field pattern is 8×30°. The maximum continuous wave (CW) output power of 30 W has been achieved. In the aging tests, the laser arrays have been operating for over 3000 h under the CW condition of 25 W.     

光束质量测量的最小束斑法

基于最小束斑条件,提出一种光束质量的测试方法。用这种测试方法,在沿光轴的二个位置进行束宽测量,就可较正确给出束腰位置、束腰宽度、远场发散角和M~2因子。     

High power semiconductor laser array with single-mode emission

The semiconductor laser array with single-mode emission is presented in this paper. The 6-μ m-wide ridge waveguides (RWGs) are fabricated to select the lateral mode. Thus the fundamental mode of laser array can be obtained by the RWGs. And the maximum output power of single-mode emission can reach 36 W at an injection current of 43 A, after that, a kink will appear. The slow axis (SA) far-field divergence angle of the unit is 13.65°. The beam quality factor M² of the units determined by the second-order moment (SOM) method, is 1.2. This single-mode emission laser array can be used for laser processing.     

976 nm宽条形高功率半导体激光器的光束质量M2评价

为了提高976 nm宽条形高功率半导体激光器的光束质量,基于严格的二阶矩理论搭建了一套适用于高功率半导体激光器的光束质量检测装置。利用该装置测量了实验室研制的976 nm宽条形高功率半导体激光器在1～10 A工作电流下的束腰位置、束腰尺寸和远场发散角。实验结果表明,随着电流从1 A增加到10A,快轴方向束宽及远场发散角由于反导引效应有微小增加,但由于垂直方向较强的折射率导引机制使得光束参数变化很小,光束质量因子M~2仅从1. 32增加到1. 48,光束质量基本不变。慢轴方向由于反导引效应及热透镜效应而导致高阶模式激射,使得束宽及远场发散角随工作电流增加逐渐增大,光束质量因子M~2从5. 44增加到11. 76,光束质量逐渐变差。傍轴光束定义及非傍轴光束定义下的光束质量因子测试结果表明,在快轴方向,两者差别较大,不能使用傍轴光束定义近似计算;在慢轴方向,两者近似相等,可以使用傍轴光束定义近似计算。