高倍聚光模组系统研究与设计

聚光系统的聚光效率和能量均匀性直接影响单位模组的发电效率。本文研究设计出高倍聚光模组系统，该系统主要包括菲涅耳透镜和球冠平顶微棱镜。采用中心波长修正法进行菲涅耳透镜的设计，并通过Zemax仿真模拟设计出球冠平顶微棱镜。最后通过Zemax模拟，决定选取两侧面夹角α的角度为117°，平顶到球面的间隔g为0.2 mm，球冠平顶微棱镜的曲率半径R为10 mm。聚光系统整体的聚光效率达99.8%，能量均匀度为0.812，并进行实验验证，得出实际聚光效率为83.1%。     

无水冷LD侧面泵浦Nd∶YAG固体激光放大器

通过对行波放大器储能及小信号增益进行理论计算,模拟出输出激光特性,即随着放大器泵浦电流的增加,放大器增益介质内储存能量和小信号增益系数快速增长,提取效率达到76%以上.输出能量随放大器泵浦电流的增加,呈线性增长趋势,在泵浦电流为80A时,输出光能量逐渐饱和,最大输出能量为798mJ.实验中,放大器入射光源采用脉冲能量为350mJ、重复频率为10Hz、脉宽为10ns的脉冲激光,放大器中的Nd∶YAG晶体棒尺寸为Φ7.5mm×134mm,Nd~(3+)的掺杂浓度为1.1%,泵浦功率最大24kW,使用三个最大功率为66 W的半导体制冷器进行半导体热电制冷,在重复频率为10Hz,泵浦电流为80A,泵浦脉冲宽度为200μs时,获得了最大脉冲能量为700mJ、脉冲宽度为10ns的激光输出,通过光束质量诊断仪M-200S测得输出光束在水平和垂直两个方向的光束质量分别是7.9和12.4.     

多波长半导体激光阵列端泵Nd:YAG脉冲激光器

研制了无温控多波长激光二极管阵列端面泵浦Nd：YAG电光调Q激光器。采用4 000 W多波长准连续激光二极管阵列作为泵浦源，快轴准直镜与透镜导管作为泵浦耦合系统，端面泵浦φ6 mm×60 mm的Nd：YAG晶体，并采用RTP晶体进行电光调Q实验。在重复频率5 Hz、室温（25℃）时，激光器获得了最大输出能量74.4 mJ、脉宽15 ns的1 064 nm脉冲激光输出，光光转换效率达到11%。在25~55℃的工作温度下，对多波长LDA的光谱特征与激光器的输出特性作了测试，激光器输出能量随着工作温度的上升而先迅速下降再逐步保持稳定，当重复频率分别为5 Hz和10 Hz时，激光器对应的最低输出能量分别为48 mJ与37 mJ。     

基于曲面空间合束的多单管半导体激光光纤耦合

随着单管半导体激光器光纤耦合技术的不断发展，为了进一步提高多单管半导体激光器的输出功率，本文采用曲面空间排列方式对多个单管半导体激光器进行合束研究，使更多数量的单管半导体激光器耦合进入同一光纤中，获得更高的输出功率。文中利用ZEMAX光学设计软件进行仿真模拟，将34只波长为975 nm、输出功率为10 W的单管半导体激光器合束聚焦后耦合进芯径200 μm、数值孔径0.22的光纤中，获得耦合效率91.76%、输出功率312.03 W的激光系统。实验中，将17只单管半导体激光器耦合进芯径200 μm、数值孔径0.22的光纤中，在10.5 A的驱动电流下，输出功率为100.5 W，系统耦合效率为68.46%。     

水流翻石问题与水流切割

修建水电站需要进行大江截流，在截流的最后关头——龙口合拢时，常常会在电视画面上看到，载重卡车上抛下的巨大混凝土石块被水流冲走的镜头．在人们的想象中，水是柔软的，水流的力量是不大的，所谓“柔情似水”，实际上却能冲走巨大的石块，实在让人惊叹．     

基于外腔反馈二极管线阵列的smile效应测量方法

采用外建激光谐振腔,在低于原芯片阈值的电流激励下对LDA的每个发光点进行单独测量,从而分析整个半导体激光阵列(LDA)的smile效应。实验中利用镀膜反射率大于半导体前腔面的外腔镜形成外腔半导体激光器。在外腔中插入曲面平行于p-n结的柱面镜,使只在光轴上的发光点与外腔镜形成外腔激光器,降低该发光点的激光阈值,从而使其在正常的阈值以下的电流激励下输出激光,在平行于p-n结的方向移动柱面镜,可以逐个对半导体激光器中的发光点进行选择测量,从而获得LDA smile效应的测量值。测量中的低电流激励产生的热量对芯片寿命没有影响,对LDA的发光点的单个测量也避免了其他发光点对CCD的影响。     

双程放大740 mJ TEC冷却LD泵浦Nd:YAG激光器

报道了一种实现高能量输出的激光二极管（LD）泵浦无水冷全固态Nd：YAG双程放大器结构。整个放大系统采用了泵浦与晶体棒集成的模块以及半导体制冷器（TEC），从而实现了激光系统的小型化。总腔长为730 mm。在10 Hz重复频率下，主振荡器得到了最大脉冲能量为350 mJ的激光输出。脉宽为9.7 ns，光束质量M²在两个方向分别为7.7和12.3。并进行了双程放大的研究，双程放大后得到了740 mJ、10 ns的激光输出。     

大信号无水冷LD侧泵Nd:YAG激光放大器

为了获得高激光脉冲能量,设计了高能脉冲激光放大系统。对该放大系统的输出能量、脉冲宽度、能量稳定度、输出脉冲宽度等进行了研究。首先,进行四能级激光速率方程的分析递推出泵浦能量和储存能量、增益系数等的关系。接着,进行了激光放大器的系统设计,然后进行实验验证,最后,实验还进行了输出激光的性能测试。实验结果表明:在Nd∶YAG晶体棒尺寸为?8 mm×100 mm、Nd~(3+)的掺杂浓度为1.1%、泵浦功率最大24 kW、重复频率为10 Hz、泵浦电流为80 A、泵浦脉宽为200μs的条件下,得到脉冲宽度10 ns、最大脉冲能量1 050 mJ的脉冲激光,输出能量不稳定度3%,通过刀口法测得水平和垂直方向光束质量M~2分别是3.9和4.8。满足了高能量、无水冷、稳定可靠等要求。     

高亮度锥形半导体激光器

介绍了由双量子阱非对称波导结构外延片刻蚀成的带有脊形波导结构的锥形半导体激光器。该激光器有效抑制了p型区域对激光的影响,减小了半导体激光快轴方向的发散角,同时采用脊形结构和锥形结构的组合获得了高亮度激光。实验中,在电流7 A时获得了中心波长963 nm、连续功率4.026 W的激光输出。测得慢轴方向和快轴方向激光光束参数乘积分别为1.593 mm·mrad和0.668 mm·mrad。     

1J高光束质量免水冷脉冲Nd:YAG激光器

研制了一种TEC制冷LD侧泵高能量、高光束质量、电光调Q全固态Nd∶YAG激光器。在主振荡器中晶体棒的尺寸为φ7 mm×100 mm,Nd原子数比例为1.1%,LD泵浦的最大峰值功率为15 kW,在重复频率为10 Hz时,获得了350 mJ输出能量,脉冲宽度为9.7 ns,光束质量因子M~2在水平和垂直方向分别为3.3和3.8。使用主振荡功率放大结构,提高了最终的输出功率。第一级放大器Nd∶YAG晶体棒尺寸为φ7.5 mm×134 mm,在输出重复频率10 Hz、泵浦电流80 A、泵浦脉冲宽度200μs时,得到最大单脉冲能量700 mJ,脉冲宽度10 ns。第二级放大器Nd∶YAG晶体棒尺寸为φ8 mm×100 mm,泵浦电流为80 A。最终我们获得了最大的单脉冲能量1 085 mJ,脉冲宽度10 ns,能量不稳定度小于3%,测量的光束质量因子M~2在水平和垂直方向分别为3.9和4.8,实现了焦耳级高光束质量Nd∶YAG激光器的小型化、无水冷化。