非相干光纤激光组束中光栅衍射效率的研究

提高非相干光纤激光组束的组束功率,需要增大光栅对组束激光的衍射效率。通过理论分析和数值仿真,结果表明对中心激光入射角偏移及组束光角偏移的精确控制是提高光栅衍射效率的光健,高的衍射效率对应较大的光栅周期和较小的光栅厚度。对于中心激光入射波长1060nm,应选择光栅频率200~400mm-1,对应的光栅厚度2~4mm。     

基于光谱合束技术的透射光栅模拟设计

半导体激光器光谱合束技术能够实现近衍射极限的高功率激光输出,已成为当前研究热点。衍射光栅的性能直接决定光谱合束的激光输出效果。模拟设计了一种针对940 nm波长、熔融石英材料的亚波长透射光栅。基于严格耦合波理论对光栅结构进行初步设计,运用Rsoft软件依次对光栅占空比、脊高和周期等参数进行优化确定,同时分析了各个参数对光栅衍射效率的影响。所设计的透射式光栅实现第-1级衍射级次的波分复用功能,衍射效率达到91.2%(TE模式),同时压缩其他衍射级次,使其衍射效率降到1.2%以下。同时在光栅入射角度59°±3°范围内保持90%以上的衍射效率,实现高功率激光输出的同时具有较高的误差容错率,易于调节,满足光谱合束技术的要求。     

正弦光栅标量衍射及等效介质理论有效性分析

利用严格傅里叶模式理论研究了不同基底折射率、入射角度、归一化周期、归一化沟槽深度对正弦型光栅微结构衍射效率的影响,并分析了该光栅的衍射特性.基于标量衍射理论和等效介质理论,分别计算了光栅周期远远大于和远远小于入射波长时,正弦型光栅的衍射效率,并与傅里叶模式理论的计算结果进行比较,分析标量衍射理论和等效介质理论的有效性.结果表明:在垂直入射条件下,当光栅基质材料折射率为1.5时,标量衍射理论在光栅归一化周期大于5时,能够准确计算光栅衍射效率,误差小于3%;当基底折射率增大到3.42时,只有在光栅归一化周期大于10时,标量衍射理论才有效,误差小于5%;当正弦型光栅透射光中只有0级衍射光传播时,等效介质理论能够准确计算其透射率;随着入射角度的增大,标量衍射理论和等效介质理论的有效性都不同程度地降低.     

短波红外平场光谱仪的波长定标

针对自行研制的短波红外平场光谱仪,讨论了波长定标的原理和方法.短波红外平场光谱仪由两个分光探测单元组成,探测单元以平场凹面光栅分光,处于焦平面上的线阵列探测器探测,波长定标分为两个波段进行.为了实现准确的波长定标,针对短波红外平场光谱仪的特点设计了波长定标步骤.双单色仪可以输出光谱仪波长范围内任意波长单色光,选用双单色仪作为光谱定标光源,双单色仪的输出单色光光潜分辨力为1.5 nm,经过光谱仪的分光会聚后成像在线阵列探测器像元上,采用重心法计算出给定波长对应的像元精确位置,通过多项式拟合得出两个探测单元的波长定标系数.定标结果表明,在900～2400 nm波长范围内,定标曲线拟合误差小于0.5 nm,波长定标不确定度优丁0.6 nm.     

光栅衍射型超广角激光告警系统光斑定位方法

成像光斑中心精确定位是光栅衍射型超广角激光告警系统具有高定向准确度和高波长分辨能力的基础.本文分析了光栅衍射型超广角激光告警系统成像光斑特点.针对随激光入射角增大,系统成像光斑畸变为强度近似高斯分布倾斜光斑的问题,提出一种改进型高斯拟合法计算光斑中心,通过仿真模拟和实验测试研究了新方法的定位性能.模拟结果表明,高斯噪音标准差为0.01情况下,光斑长轴与x轴夹角由0°逐渐增大为90°过程中,本文方法的定位误差平均值小于0.005像素,误差标准差小于0.02像素.实验测试表明,实验图像经帧相减和高斯平滑滤波预处理后,光斑长轴与坐标轴方向一致时,本文方法与高斯拟合法的定位结果非常接近,明显优于灰度重心法.光斑倾斜时,本文方法求得的激光入射方向角的误差均值和标准差明显小于灰度重心法和普通高斯拟法.     

亚波长介质光栅的制作误差分析

利用严格耦合波理论（RCWA）分析了方向误差和面形误差对亚波长光栅衍射效率的影响. 通过分析发现,方向误差和图案边缘钝化对光栅的衍射效率影响不大,而刻蚀过程中由于侧壁倾斜而产生的面形误差对光栅的衍射效率影响非常大.在制作亚波长光栅时,可以通过选取合理的刻蚀系统或增大占空比的方法来避免基底型误差的出现.该结论对于制作亚波长光栅具有重要的指导作用.同时根据得出的结论,选用专门用于硅深刻蚀的等离子体辅助刻蚀系统制作出了红外30 μm亚波长抗反射光栅,检测结果显示,光栅沟槽侧壁陡峭且透过率和设计值吻合得比较好.     

光栅光谱衍射效率测量新技术的误差分析与校正方法研究

衍射光栅是非常重要的色散元件,在光谱分析领域中有着广泛的应用,光栅光谱衍射效率的测量对于评估光栅性能和改进光栅制备工艺有着重要的作用。在目前常见光栅光谱衍射效率的测量技术中,由于存在两种需要重复数百次的机械运动,因而光栅光谱衍射效率的测量速度比较缓慢,如获取700～900 nm波段范围内的光谱衍射效率,大约需要5～8 min的时间。在之前的研究中,报道了一种快速测量光栅光谱衍射效率的新方法,新方法采用声光可调谐滤波器、积分球探测器和高速数据采集系统,可以完全消除现有测量方法中存在的两种耗时的机械运动,由于测量过程中没有任何机械运动的参与,新方法能在10 ms量级获得700～900 nm波段范围内的光谱衍射效率。首先对光栅光谱衍射效率测量新方法的主要误差来源进行了系统分析,发现新方法一个比较明显的误差来源是凸透镜的透过率与入射角相关;然后结合光学模拟,得到了激光光束以不同入射角度传播通过凸透镜时的透过率,并提出了相应的误差校正方法;最后结合实验测量数据,我们对光栅光谱衍射效率新测量技术的误差校正方法进行了实验验证。数据分析结果表明,在550～750 nm波段范围内测得的光栅光谱衍射效率,经过误差校正后,新方法与传统测量方法之间绝对误差的平均值从校正前的0.207%降低到校正后的0.099%,由于传统光栅光谱衍射效率测量方法的测量精度约为0.1%,结果表明,提出的误差校准方法能成功消除光栅光谱衍射效率新测量方法的主要误差来源。     

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。     

纳秒激光刻蚀玻璃基质铬薄膜直写微光栅结构

利用波长为351 nm的半导体泵浦全固态脉冲激光器,采用双光束干涉方法,对蒸镀在石英玻璃衬底上的铬薄膜直接刻蚀形成微光栅结构的方法进行了实验研究.通过实验,分析了激光能量和脉冲数与微光栅结构槽形和一级衍射效率之间的关系.利用光学显微镜和原子力显微镜检测分析光栅槽形,测得槽深为253 nm的最佳微光栅结构,并测得其在波长为532 nm的激光的一级衍射效率为6.5%.结果表明：在激光能量为1 150 μJ时,适当增加曝光脉冲数有利于提高制备光栅的槽深和一级衍射效率.     

纳秒激光刻蚀玻璃基质铬薄膜直写微光栅结构

利用波长为351 nm的半导体泵浦全固态脉冲激光器,采用双光束干涉方法,对蒸镀在石英玻璃衬底上的铬薄膜直接刻蚀形成微光栅结构的方法进行了实验研究.通过实验,分析了激光能量和脉冲数与微光栅结构槽形和一级衍射效率之间的关系.利用光学显微镜和原子力显微镜检测分析光栅槽形,测得槽深为253 nm的最佳微光栅结构,并测得其在波长为532 nm的激光的一级衍射效率为6.5%.结果表明:在激光能量为1 150 μJ时,适当增加曝光脉冲数有利于提高制备光栅的槽深和一级衍射效率.     

体布拉格光栅外腔半导体激光器的光栅旋转角度容差

采用步进电机控制光栅角度,对200 m和600 m圆柱透镜准直的体布拉格光栅（VBG）外腔单管C封装半导体激光器进行了系统研究。实验结果表明:激光二极管（LD）驱动电流越大,准直效果越好,VBG的角度调整容差越小;快轴方向的准直效果越好,慢轴方向的光栅调节角度容差越大;对于衍射效率28%、厚1.4 mm的光栅,LD快轴发散角为7.3 mrad时,快轴方向的角度容差不大于3.2 mrad,慢轴方向的角度容差较快轴大约一个数量级。     

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。     

双光栅光谱仪波长扫描机构精度分析

光栅光谱仪作为研究太阳辐射的重要设备之一,其波长扫描机构的精度很大程度上决定了最终测量结果的准确性。从光机系统的光栅参量误差和机械结构误差两方面入手,对丝杠摆杆波长扫描机构展开综合精度分析,依据凹面光栅色散原理,推导出波长λ与摆杆末端沿丝杠方向位移x,摆杆长度l,光栅常数g和入射光线与出射光线夹角半值δ之间的关系。再对等式求导,依据误差叠加原理,计算出在红外工作波段650 nm~2 400 nm范围内,其波长定标误差应不超过±1.227 nm。在实验样机上进行验证,以汞灯为光源拟合出误差与波长的关系曲线,并以氦氖激光器为光源加以验证。实验结果证明了理论计算的正确性,该分析方法为双光栅光谱仪零部件精度指标的确定提供了依据。     

Calculation algorithm of high-precision two-dimensional broadband laser warning parameters北大核心CSCD

High precision grating diffraction laser warning system is a photoelectric countermeasure equipment to judge and locate the incoming laser function. In order to improve the positioning accuracy, an improved algorithm for calculating and fitting the calculation parameters of the spot center was proposed. Firstly, the laser spot was preprocessed, and the center coordinates of the connected area were obtained by using the improved connected area marking algorithm and spot center extraction algorithm. Secondly, the azimuth angle and pitch angle were set, the images were collected and the spot center was calculated, and the pixel horizontal and vertical coordinates in x and y direction as well as fitting surfaces of laser parameters were fitted, so as to judge the azimuth angle, pitch angle and wavelength of the incoming laser. Finally, the improved connected area marking algorithm, spot center extraction algorithm and parameter fitting calculation results were compared with the traditional algorithm. The experimental results show that the pitch angle error between the fitting calculation results and the real data is less than 0.4°, and the azimuth angle error is less than 0.2°, which greatly improves the accuracy of laser direction recognition. Copyright ©2022 Journal of Applied Optics. All rights reserved.     

Design of High-Efficiency Diffraction Gratings Based on Rigorous Coupled-Wave Analysis for 800nm Wavelength

We report on the design of a high diffraction efficiency multi-layer dielectric grating with wide incident angle and broad bandwidth for 80Ohm. The optimized grating can achieve 〉 95% diffraction efficiency in the first order at an incident angle of 5° from Littrow and a wavelength from 77Ohm to 83Ohm, with peak diffraction efieieney of 〉 99.5% at 80Ohm. The electric field distribution of the optimized multi-layer dielectric grating within the gratings ridge is 1.3 times enhancement of the incidence light, which presents potential high laser resistance ability. Because of its high-effieieney, wide incident, broad bandwidth and potential high resistance ability, the multi-layer dielectric grating should have practical application in Ti：sapphire laser systems.     

变栅距光栅实现啁啾脉冲光谱整形

为了充分利用放大介质的增益带宽,获得脉宽更短,功率更高的输出脉冲,需要将输入到主放大链的种子脉冲进行光谱整形来补偿放大过程中的增益窄化效应。提出了利用变栅距反射光栅实现中心波长1053nm,谱宽6nm啁啾脉冲的光谱整形。运用严格的光栅衍射耦合波理论分析光栅的衍射特性,发现该方案不会引入相位畸变。分别计算和分析了刻槽深度、入射角大小、光栅周期以及入射光波长的变化对衍射效率的影响,通过选取适当的光栅参量可获得0.5%~84%的光谱调制深度。     

Electric field controlled higher-order diffraction images of paraelectric potassium lithium tantalate niobate

We report some electric field controlled photorefractive higher-order diffraction phenomena of a paraelectric phase potassium lithium tantalate niobate crystal doped with iron. In experiments, a p-polarized semiconductor laser (532 nm) was used to record grating at a small incident angle. Higher-order diffraction images were observed when the signal beam was focused behind and in front of the crystal. Then the higher-order diffraction images were reconstructed by a p-polarized He–Ne laser (632.8 nm) in the direction perpendicular to the surface. The higher-order diffraction images could be controlled by the external electric field. A theory about the higher-order diffraction images of the K and 2K grating is developed. The results show that the even order diffraction images of the K grating and the odd order diffraction of the 2K grating overlap each other. The odd order diffraction images of the K grating are diffracted in unattached direction. The electric field controlled higher-order diffraction image provides a useful method for optical information processing.     

非轴向力下埋入式光纤传感器应变传递分析

利用剪滞法建立了当光纤光栅传感器的轴线和基体主应力的方向成一定角度时,光纤光栅传感器的测量应变与基体结构实际应变之间的关系,进而得出了光纤光栅传感器的平均应变传递率的一般公式。采用裸光纤光栅传感器进行实验,在倾斜角度α为30.72°时,实验所得的波长变化之比分别为:0.727,0.738,0.746;理论计算所得的波长变化之比为0.739,相对误差都在2%以内。同时分析了埋设角度偏差对测量结果的影响。研究结果表明,非轴向力作用下光纤光栅传感器的应变与结构基体应变之间的传递关系与其在轴向力作用下存在明显的区别,埋设角度的偏差会给测量结果造成一定的误差。     

一种实时测量入射激光波长及方位的新方法

提出了一种利用CCD和光栅实时测量入射激光波长及方位的新方法。该方法利用成像CCD,通过测量入射激光成像点在电视成像坐标系中的位置来确定激光的入射方位;根据光学系统中成像点位置与光栅入射角和衍射角的几何关系,利用光栅测量入射激光的波长。介绍了该方法的测量原理及光学系统结构,给出了测量入射激光波长及方位的计算表达式,分析了测量误差,并在室内通过测量实验对该方法进行了验证。