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。     

大气激光通信用直锥形光纤发射天线

 提出采用直锥形光纤作为大气激光通信的发射天线,将多模光纤输出的部分相干发散光束变换为准平行光束的方案,既能得到发散角很小的部分相干激光光束,又能保证激光器输出能量的完全传输。采用光线追迹法分析了任意光束从锥形光纤小端面输入、大端面输出的发散角。结果表明,当直锥形光纤长度大于某一特定值时,从小端面输入的入射角小于数值孔径角的所有光线理论上都可以变换为出射角度小于光纤半锥角的光线,因此直锥形光纤可以作为部分相干光源的准直透镜,代替传统的凸透镜,用于改善光束的发散角。对远场光斑进行了数值模拟和实验研究,结果显示：直锥形光纤透镜对朗伯光源的准直光束比传统凸透镜的准直光束发散角小,光斑半径小且均匀性好,证明用此方法可以得到低发散、低空间相干性的光斑。     

预失真半导体激光列阵技术

相干半导体激光列阵体积小、重量轻,输出能量密度高,非常适于用作对光源尺寸要求苛刻的航天激光光源。为避免随航天器在轨运行的半导体列阵经受变化梯度剧烈的恒星、行星、空间低温热沉的交替加热和冷却的影响,以便能够正常工作,采用潜望式结构设计,将列阵置于舱内,列阵向航天器外输出激光必须经由舱外输出反射镜完成。然而,舱外输出反射镜受周围热环境影响和列阵输出激光束照射,会产生随机热变形,导致输出舱外的激光能量发散;并且,舱外输出反射镜面热变形导致镜面法向偏转,使得输出光束产生较大的指向偏转误差,这极大地降低了能够作用于目标之上的激光束的能量密度,严重恶化输出舱外的光束质量。通过理论推导结合ANSYS有限元分析软件和相关实验,在研究清楚相干半导体激光列阵作为航天激光源的构造、其光场与周围热环境共同作用于舱外输出反射镜的规律与特点后,给出了航天预失真半导体激光列阵激光源技术,通过回波法适时测量舱外输出反射镜引起的波前畸变,处理器配合D/A和高压放大器,驱动驱动器,使舱内添加的反射镜预失真成形,适时使列阵输出产生预失真波前畸变,以抵消舱外输出反射镜的热变形对输出舱外的激光束的影响。相关系统运行实验结果显示,此技术使半导体激光列阵能够适应宇航环境,向舱外输出保障质量的激光束。     

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。     

高斯-谢尔模型列阵光束的远场发散角和远场辐射强度

推导出了高斯-谢尔模型（GSM）列阵光束通过自由空间传输其二阶矩束宽、远场发散角和远场辐射强度的解析表达式,并给出了GSM列阵光束与高斯光束具有相同远场发散角的条件.研究表明,具有相同远场发散角的GSM列阵光束与对应的高斯光束并不具有相同的远场辐射强度分布,这一特性与单束GSM光束的差异很大. 关键词： 高斯-谢尔模型列阵光束 远场发散角 远场辐射强度     

大气湍流和热晕效应对列阵合成激光传输特性和光束质量影响的理论研究进展

介绍了大气湍流效应和热晕效应对列阵合成激光传输特性和光束质量影响的理论研究进展。主要介绍了合成激光在大气中传输的解析和数值模拟研究方法,大气湍流效应对列阵合成光束的光强分布、远场发散角、方向性、曲率半径和湍流距离的影响,以及大气热晕效应对列阵合成光束的光强分布、传输效率、重心偏移、热晕时间尺度和焦移的影响。研究结果表明,大气湍流效应和热晕效应对合成激光光束质量的影响与光束合成方式、合成光束参数以及大气参数密切相关。     

大功率VCSEL三角列阵的空间相干性

由厄米-高斯光束理论和空间相干性定理出发,研究了大功率垂直腔面发射激光器(VCSEL)三角形列阵器件的光束质量和空间相干特性.采用二阶距法和空间相干度积分法得到980 nm波段VCSEL三角列阵器件的远场发散角和空间相干度,并讨论了列阵器件单元间距对其远场特性和空间相干特性的影响.实验结果表明:当三角列阵单元孔径为150 μm时,随着列阵单元间距由200 μm增大到300 μm,列阵器件的远场发散角由9.5°增加到12.5°,而其空间相干度由0.719减小到0.526.在相同注入电流条件下,3种列阵器件的出光功率基本相同.     

耦合激光列阵的连续模型及其时空特性的研究

继对整体耦合激光列阵的讨论,本文介绍作者最近对局部耦合激光列阵的研究结果.文中采用连续的近似方法,推导出描述耦合激光列阵的连续模型.正如数字计算结果所表明,耦合激光系统是另外一个很典型的“光学流体”系统.本文还对如何设计耦合激光系统,使之具有高功率、单模输出并保持良好的光束特性,进行了定性的讨论.对波导式耦合的本征不稳定性,运用孤子理论进行了初步的分析,进而讨论了耦合激光列阵中的孤子波现象及其应用.     

部分相干厄米-高斯列阵光束通过湍流大气传输的方向性

推导出了部分相干厄米-高斯(H-G)列阵光束通过湍流大气传输的二阶矩束宽和远场发散角的解析公式。采用远场发散角作为光束方向性的评价参数,研究了部分相干H-G列阵光束通过湍流大气传输的方向性。研究表明:在一定条件下,部分相干H-G列阵光束与对应的高斯光束不论在自由空间还是湍流大气中均具有相同的方向性。此外,进一步研究发现,在自由空间中,由远场发散角和归一化远场平均光强分布所表征的部分相干H-G列阵光束的方向性是不一致的,但湍流可以使得两种描述相一致。这一结论与高斯-谢尔模型(GSM)列阵光束的相关结论存在差异。在自由空间中,与高斯光束具有相同远场发散角的非相干合成的GSM列阵光束与对应的高斯光束具有相同的归一化远场光强分布。     

基于光束填充的多单管半导体激光器光纤耦合

为了进一步提高多单管半导体激光器的输出功率，通过对常见的阶梯型多单管半导体阵列进行分析，提出在光斑尺寸较小的慢轴方向对光束进行填充，在同样的耦合条件下，使更多的激光能量耦合进光纤中，实现更高功率的输出。文中使用光参数积作为评价光束质量的指标，论证了慢轴光束填充的可行性，利用ZEMAX仿真软件对8路常见阶梯型多单管半导体阵列和12路填充阵列进行对比仿真，在不影响耦合效率的前提下，实现了将12路波长为860 nm、输出功率3 W的单管半导体激光器耦合进芯径105 μm、数值孔径0.22的光纤中，光纤输出功率为33.4 W，光纤耦合效率为92.78%。仿真结果表明，对慢轴方向进行光束填充可以在一定程度上提高多单管半导体激光的功率输出。     

Monolithic Integration of Diffractive Microlens Arrays and Infrared Focal Plane Arrays

Monolithic integration method has been demonstrated to increase the fill factor of the infrared focal plane arrays (IRFPA). Which is consists of 256×256 Pt-Si schottky barrier charge coupled devices(CCD) operation in 3-5m IR region. The relative silicon 256×256 element diffractive microlens arrays have been fabricated on the back side of the substrate of the IRFPA using binary optics technology. The aligning process between IRFPA and microlens arrays on each side of the substrate has been completed by IR mask aligner. The testing results show that the imaging quality is very good and the average optical response of the IR FPA is increased by a factor of 3.0, which is improved by about 25% compared with the hybrid integration method in the previous work.     

新疆实验次声台阵设计

次声测量与数据是次声各项研究的基础,而次声台阵是现代次声测量的主要形式,为此设计并建立了两个无人值守式实验次声四元台阵。描述了次声台阵的结构,对台站的仪器构成进行了说明,重点对其降噪管和通信系统进行了描述。降噪管为十字玫瑰花瓣型降噪管,给出了其降风噪性能。台站通信系统基于VPN进行架构,实现了数据的实时自动传输和FTP传输功能。实测结果表明实验台阵的噪声主要是由微气压、山背波和台阵附近的随机干扰噪声构成。台阵记录到了大量当量较小的区域地表采矿、采石微差爆破次声信号,也记录到了2013年2月15日俄罗斯陨石大爆炸事件相关的清晰的次声信号。分析结果表明,该次声台阵具有良好的性能,具有一定的推广价值。     

Design of Fiber-Laser Arrays with Genetic Algorithms

The optimization of the far-field pattern of fiber-laser arrays is investigated based on genetic algorithms. A derived objective function of the far-field pattern performs the task of evaluating each of the fiber-laser designs generated by the genetic algorithm. The constrained parameters of the design included are radius of the fiber a, the important V value, the fiber-to-fiber separation S, and the operational wavelength . As results, sidelobe level is optimized to be -38.83 dB for a circular arrays with the given constrained parameters.     

凹折射微透镜阵列的离子束刻蚀制作

利用光刻热熔成形工艺及离子束刻蚀制作 12 8× 12 8元凹微透镜阵列。所制硅及石英凹微透镜的典型基本图形分别为凹球冠形、凹柱形和矩顶凹面形。分析了在光致抗蚀剂柱凹微透镜图形制作过程中的膜系匹配特性 ,与制作该种微透镜有关的光掩模版的主要结构参数 ,以及光致抗蚀剂掩模工艺参数的控制依据等。探讨了在凹微透镜器件制作基础上利用成膜工艺开展平面折射微透镜器件制作的问题。采用扫描电子显微镜 (SEM)和表面轮廓仪测试了所制石英凹微透镜阵列的表面微结构形貌。给出了所制石英凹微透镜阵列远场光学特性的测试结果。     

Arrays of microscopic magnetic traps for cold atoms and their applications in atom optics

A single microscopic magnetic trap for neutral atoms using planar current-carrying wires was proposed and studied theoretically by Weinstein et al.In this paper,we propose three structures of composite current-carrying wires to provide 1D,2D and 3D arrays of microscopic magnetic traps for cold alkali atoms.The spatial distributions of magnetic fields generated by these structures are calculated and the field gradient and curvature in each single microtrap are analysed.Our study shows that arrays of microscopic magnetic traps can be used to provide 1D,2D or 3D atomic magnetic lattices,and even to realize 1D,2D and 3D arrays of magneto-optical traps,and so on.     

Experimental Study of Planar Finite Grid Oscillator Arrays

Results of an experimental study on finite grid oscillator arrays and the effects of the edge element loading stubs in such arrays are presented. Three finite grid oscillator arrays, based on the same unit cell, with different number of unit were fabricated on RT/Duroid 5870 substrate and tested in terms of the oscillation frequencies, radiated power and radiation patterns. It is observed that the oscillation frequency of a finite grid array differs from the theoretically prediction based on the infinite array assumption and is strongly affected by the edge element loading stubs. The measurement also indicates that mode-jumping and multi-frequency (spurious) oscillation can exist in grid oscillator arrays.     

Study of Low Sidelobe Time Modulated Linear Antenna Arrays at Millimeter-Waves

In this paper, the time modulation technique for the design of low sidelobe antenna arrays is extended to millimeter-wave frequency band. Millimeter-wave rectangular waveguide is selected as the element radiators of linear antenna arrays, and the element radiation patterns are taken into account in the analysis and design of low sidelobe time modulated linear arrays. Two types of time modulation, namely, the time modulated variable aperture sizes (VAS) and unidirectional phase center motion (UPCM), are implemented in the design of low sidelobe millimeter waveguide linear arrays. It is observed that both the co-polarized and the cross-polarized components will experience the time modulation effect simultaneously. Many factors that affect the array performance are discussed.     

干涉型光纤传感器阵列的偏振态反馈叠加控制

提出了在干涉光纤传感器阵列中将各传感器的最佳输入偏振态反馈控制信号叠加用于阵列最佳输入偏振态控制的方案，并对阵列各单元最佳输入偏振态的较差分布时的控制效果进行了理论分析，对达到这一较差分布的概率也进行了计算，分析表明，该方案简单易行，经过信号处理能使各个光纤传感器在降低信噪比的情况下吏可见度均达最大值１，从而消除了阵列中各单元的偏振态衰落。     

Study on the Beam Quality of Uncoupled Laser Diode Arrays

1　Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　　Ｌａｓｅｒｄｉｏｄｅｓｙｓｔｅｍｓｗｉｔｈｏｕｔｐｕｔｐｏｗｅｒｓｏｆｓｅｖｅｒａｌｔｅｎｓｗａｔｔｓｏｒｓｅｖｅｒａｌｈｕｎｄｒｅｄｓｗａｔｔｓａｒｅａｖａｉｌａｂｌｅｉｎｒｅｃｅｎｔ ｙｅａｒｓ.Ｔｈｅｙｈａｖｅｂｅｅｎｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄｉｎｐｕｍｐｉｎｇｓｏｌｉｄ ｓｔａｔｅｌａｓｅｒｓａｎｄｌａｓｅｒｍｅｄｉｃｉｎｅ .Ｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｓｏｌｉｄ ｓｔａｔｅｌａｓｅｒｓａｎｄＣＯ2 ｌａｓｅｒｓ,ｔｈｅｈｉｇｈ ｐｏｗｅｒｌａｓｅｒｄｉｏｄｅｈａｓｄｉｆｆ…     

近场照度均匀的LED阵列设计

通过分析多颗LED组成的各种阵列在近场平面上的照度分布,来设计可实现近场照度均匀的LED排列方式和距离。基于LED的光强分布,构建单颗LED的光强分布模型（并非朗伯分布）,给出了方程和等式用于计算不同排列方式下的LED分布距离和封装密度,以实现近场平面上的照度均匀。