毫秒脉冲激光致硅光电二极管电学损伤的有限元分析及实验研究

为了研究毫秒脉冲激光致硅基PIN光电二极管电学损伤,基于热传导及弹塑性力学理论,在光电二极管内部材料各向同性并且P-I-N三层结构之间满足温度连续和热流平衡条件下,建立毫秒脉冲激光辐照硅基PIN光电二极管二维轴对称模型,采用有限元方法模拟分析了1064 nm Nd:YAG毫秒量级脉冲激光辐照硅基PIN光电二极管的温度场与应力场分布,并实验测量了硅基PIN光电二极管实验前后的电学参数.结果表明,激光辐照硅基PIN光电二极管时,温升使材料表面熔融、烧蚀,并且在空间上存在温度梯度变化,即激光辐照产生的热与应力使光敏面及硅晶格晶键损伤,最终造成光电探测器的探测性能下降.研究结果可为毫秒脉冲激光辐照硅基PIN光电二极管电学损伤机理奠定基础.     

A Stable Wavelength Operation Ho:YAG Laser with Orthogonally Polarized Pump

A stable wavelength operation Ho:YAG laser dual-pumped by two orthogonally polarized Tm:YLF lasers is reported. Under the cw operation mode, a laser output power of 24 W is measured. The corresponding opticaloptical conversion efficiency is 44.75% and the slope efficiency is 50.12%. Under the Q-switched operation mode,the output maximum average power is 22.8 W at the re-frequency of 6 kHz. The corresponding optical-optical conversion efficiency and slope efficiency are 42.64% and 48.01%, respectively. The output central wavelength is 2090.73 nm, the linewidth is 0.40 nm, and the beam quality is M~2 1.6. Moreover, the shift of the output central wavelength is less than 0.01 nm, and the linewidth shift is also less than 0.01 nm.     

4.1μm高功率中红外内腔光参量振荡器

提出了一种紧凑型、声光调Q、高功率的4.1μm中红外内腔式氧化镁掺杂的周期性极化铌酸锂晶体光参量振荡激光系统.基于内腔单谐振光参量振荡器动力学模型,对内腔光参量振荡器的阈值倍数及下转换效率的影响因素进行分析,提出实验中对光参量振荡阈值调节的办法,优化了大功率情况下光参量振荡的下转换效率.引入共振泵浦与单端键合晶体方式提高了大功率泵浦的热稳定性.基于光场传输理论与谐振腔稳定性理论,并考虑增益介质热效应,数值模拟了大功率泵浦注入时腔内基频光、信号光及闲频光的三波光场模式匹配,以确保光参量振荡器在高功率下稳定运转.对光参量振荡阈值进行调节,提高了参量光的下转换效率,最终得到4.125μm的中红外高重频脉冲瓦级激光输出,激光重复频率1～100kHz可调,脉冲宽度小于9ns,最高单脉冲能量36.7J,最高峰值功率4.257kW,最高输出功率为1.12 W,其对应的下转换效率为29.7%,最大光光转换效率为4.26%.     

基于多周期MgO∶PPLN的内腔宽调谐连续中红外光参量振荡器

报道了一种内腔光参量振荡器,该器件通过改变多通道MgO∶PPLN极化晶体的极化周期和温度,可以快速实现3.2~4.1μm中红外参量光可调谐连续输出.采用1.064μm谐振腔与多光参量振荡腔折叠型复合结构,考虑晶体热效应及宽范围调谐参量光振荡过程中光斑模式匹配,通过对两个子腔谐振结构的数值模拟分析,确定最佳腔型结构参数.基于该谐振腔结构,实验研究了多周期MgO∶PPLN晶体的温度和极化周期对参量光波长的影响,实验中克服了MgO∶PPLN晶体在3.8~4.1μm中红外波段较为严重的本征吸收以及量子亏损导致的效率降低问题,获得2.78~4.18μm中红外激光连续调谐输出,调谐范围达1.399μm.在3.2μm、3.5μm、3.8μm、4.1μm四个典型波长下实现了参量光输出,功率分别为1.72W、1.39W、0.79W和0.442W,对应转化效率分别为7.17%、5.4%、3.1和1.84%.     

High conversion efficiency,high power density Q-switched fiber laser

An acoustic-optic Q-switched all-fiber laser With a high-repetition-rate, a short pulse width, a wide spectrum, and a high conversion efficiency is experimentally demonstrated. In the laser configuration, a （1＋1）x 1 side-pumping coupler is introduced to perform backward pumping, and a 10/130%tm Yb fiber is adopted. The acoustic-optic component operates in the first direction, achieving a Q-switched pulse with a repetition rate adjustable in the range of 20 kHz-80 kHz. Under a repetition rate of 20 kHz and a pump power of 6.76 W, the fiber laser obtains a highly efficient and stable pulse output, with an average power of 4.3 W, a pulse width of 56 ns, a peak power of 3.83 kW, and a power density of 1.39x 101~ W/cm2. Particularly, the optic-optic conversion efficiency of the laser reaches as high as 64%. Another feature of the pulsed laser is that the high reflection mirror reflects the pump light as well, which brings the secondary absorption of the pump power into the gain fiber.     

毫秒脉冲激光辐照硅基PIN的温度场应力场数值分析

为了研究毫秒脉冲激光辐照硅基PIN多层结构产生的温度场和应力场的特点,本文基于热传导理论和弹塑性力学理论,利用等效比热容法处理相变潜热,考虑多个热源,尤其是底层铝电极反射的影响,并考虑硅基PIN探测器每层材料参数的非线性影响,采用有限元模拟软件COMSOL Multiphysics,对毫秒脉冲激光辐照硅基PIN多层结构的过程进行了二维数值模拟,得到了材料表层及内部各层的瞬态温度场与应力场的时空分布和变化规律.结果表明,底层铝电极对激光的反射,使得在底层铝电极处及附近硅层的温度都略有升高.在此基础上,分析了毫秒脉冲激光辐照硅基PIN的硬破坏机理,即熔融前力学损伤导致硅基PIN探测器的功能失常.     

基于MgO:APLN的多光参量振荡器实验研究及其逆转换过程演化分析

对基于MgO:APLN的多光参量振荡器进行了实验研究. 通过优化MgO:APLN极化结构及参量光耦合输出透过率, 在200 kHz高重复频率1064 nm激光抽运下, 通过单极化晶体实现了1.57 μm, 3.84 μm跨周期参量光输出, 平均功率分别达到2.4 W和1.31 W, 对应光-光转换效率为11.54%和6.25%. 同时针对多光参量振荡过程的逆转换现象, 通过耦合波方程对其进行了数值演化, 并引入“逆转换能量传导区”概念, 指出逆转换能量传导区的存在促使弱增益光学参量振荡器的参量光得到二次增强, 所得结论与实验结果相符合.     

一种用于减少相位突变点的衍射光学元件改进设计方法

提出了一种基于数字图像处理技术的用于降低相位突变点的改进型Gerchbery-Saxton(G-S)衍射光学元件设计方法。与普通的G-S衍射光学元件设计算法相比,这种改进型的G-S算法能够使得衍射光学元件的相位分布曲线更加光滑,并且在迭代计算过程中具有更强的收敛能力。利用该种算法获得了由高斯光束变换成空心光束时所需要的衍射光学元件的相位分布,在同样参数条件下,均方根误差为8.31%,优于普通G-S算法的9.46%;并且约有33.2%的像素的相位值得到了改进,从而平滑了衍射光学元件的相位分布曲线,便于实际的微加工。     

强激光辐照下光电探测器响应性能的研究

 响应度R是反映探测器性能的一项重要指标,当探测器被强激光损伤后,光电探测器的响应度将发生改变。设计了一套实时测量探测器响应度的装置,用能量逐渐增加的Nd∶YAG激光辐照PIN光电探测器,获得了探测器响应度与入射强激光功率密度的变化关系。从实验数据可知,探测器被功率密度低于7.6×105W/cm2的激光辐照后不会发生损伤,探测器对532nm参考光的响应度不变;当激光的功率密度超过1.27×106W/cm2时,激光辐照后,探测器对532nm参考光的响应度开始下降,当探测器被功率密度为6.01×106W/cm2的激光辐照后,响应度迅速下降,PN结遭到破坏是探测器响应度下降的根本原因,扫描电镜的结果与我们的分析相一致。     

532nm长脉冲激光致GaAs热分解损伤的半解析法分析

考虑到GaAs具有受热分解的特性,采用热传导理论和半解析法研究了波长532nm的毫秒量级长脉冲激光致GaAs的表面热分解损伤．首先,建立了激光辐照GaAs的二维轴对称瞬态温度场及表面热分解损伤阈值的计算模型,模拟了吸收率不同时,GaAs的瞬态温度场分布及热分解损伤阈值．计算结果表明：较高的吸收率引起GaAs表面的温升较高,但所需的热分解损伤阈值较低;增加作用激光能量密度,GaAs表面发生热分解损伤随之提前．本文研究结果对激光与GaAs相互作用及其损伤机理的研究具有指导意义和实用价值．