二极管激光光栅-外腔光谱合成技术模拟研究

光栅-外腔光谱合成效率主要由激光器和外腔的耦合效率决定。从衍射积分方程出发,建立了存在离轴像差情况下耦合效率模型,分析了光谱合成系统参数对耦合效率的影响。结果表明：当离轴距离增加、横模阶次增大、模场半径减小、阵列平面或光栅平面偏离焦平面时,耦合效率随之下降;光栅倾角和光栅平面-耦合输出镜距离对耦合效率影响甚微。对采用焦距为500 mm的对称双球面透镜,长度为10 mm二极管激光阵列的系统,快轴方向模场半径应大于0.15 mm, 慢轴方向模场半径应大于 20 μm, 阵列平面位置误差应控制在±0.5 mm内,光栅平面位置误差应控制在±0.2 mm内。     

DLA光源质量对光栅-外腔谱合成系统光束质量的影响

在二极管激光阵列(DLA)光栅-外腔谱合成系统中,由于DLA存在子单元光束发散角、“smile”效应的位置偏差及指向性偏差等因素的综合作用,将导致合成光束的光束质量降低。综合考虑DLA子单元光束发散角、“smile”效应等因素对谱合成系统中光束传输特性的影响,建立了DLA光栅-外腔谱合成系统的光传输模型,进而对谱合成系统中DLA子单元光束发散角、“smile”效应的位置偏差及指向性偏差等因素对合成光束的光束质量影响进行了定量分析。结果表明,DLA光源质量会明显影响合成光束的光束质量：DLA子单元光束发散角和“smile”效应引入的指向性偏差越大,合成光束的光束质量就越差;“smile”效应引入的位置偏差在合束方向上对合成光束的光束质量没有影响,而在非合束方向上引入的位置偏差将会明显降低合成光束的光束质量。在实际工作应用中,需要采取措施提高DLA光源质量,以减小对合成光束的光束质量影响。     

外腔锁相宽发光区二极管激光列阵研究

利用简单的外腔,实现了具有宽发光区的商用半导体二极管激光列阵(DLA)的外腔锁相。光谱测量表明,DLA的谱宽由自由运行时的1.9 nm压缩到了0.16 nm,峰值波长由803.8 nm调整到805.5 nm;实测远场光瓣间角距等于1.6 mrad,即波长与发光单元间距之比,表明列阵运行在基超模(或最高阶超模);峰谷结构调制度大于0.8。观察表明,外腔长度在1/10~1/6泰伯距离内变化时,锁相均能实现。实验事实表明锁相是交叉注入锁定的结果。利用半导体激光注入锁定理论,定性分析了外腔DLA由自由振荡向锁相过渡的过程,预言了锁相场波长应出现在自由运行DLA光谱长波端,实验也证实了这一事实。     

高功率二极管激光阵列输出光谱特性的改善

采用体布拉格光栅（VBG）外腔来压窄并稳定二极管激光阵列（DLA）输出光束的频谱。实验结果表明：在VBG波长锁定前后,DLA输出光束的光谱宽度由1.7 nm减小到0.4 nm,压窄的光谱不随注入电流的增大发生明显变化,不随热沉的温度升高而明显漂移。VBG波长锁定后在注入电流为35 A时,输出功率为15.12 W,功率损耗约2%。     

外腔中半导体二极管激光阵列的高阶侧模锁定

理论分析了外腔较短情况下,宽条半导体二极管激光阵列（LDA）高阶侧模相位锁定的可能性,观察了包含主、旁瓣结构的多侧模远场光强分布。从实验记录结果可以看出,在旁瓣中出现了标志锁相的峰、谷结构,而且该结构的调制度明显高于主瓣中的峰、谷结构的调制度,结果表明：在外腔较短情况下,LDA高阶侧模相位锁定的现象是存在的。     

外腔中半导体二极管激光阵列的高阶侧模锁定

 理论分析了外腔较短情况下,宽条半导体二极管激光阵列（LDA）高阶侧模相位锁定的可能性,观察了包含主、旁瓣结构的多侧模远场光强分布。从实验记录结果可以看出,在旁瓣中出现了标志锁相的峰、谷结构,而且该结构的调制度明显高于主瓣中的峰、谷结构的调制度,结果表明：在外腔较短情况下,LDA高阶侧模相位锁定的现象是存在的。     

二极管激光阵列在Talbot外腔中同相模的选择

从理论和实验上对二极管激光阵列在Talbot外腔中的锁相进行了研究。在同相模和异相模近场分布的基础上,利用1维情况下的菲涅耳衍射公式计算了其远场分布。根据同相模和异相模在Talbot腔中的分布特性,采用1/2 Talbot腔并将外腔镜倾斜一个角度a的方法既能选择同相模,又能使模式的功率损耗最小。二极管激光阵列芯片采用CD金刚石材料,“三明治”结构对其进行封装,明显地减小了阵列的“smile”效应。在实验中实现了二极管激光阵列同相模的锁相输出,远场单瓣模的半高全宽为0.11 mm。     

二极管激光阵列在Talbot外腔中同相模的选择

 从理论和实验上对二极管激光阵列在Talbot外腔中的锁相进行了研究。在同相模和异相模近场分布的基础上,利用1维情况下的菲涅耳衍射公式计算了其远场分布。根据同相模和异相模在Talbot腔中的分布特性,采用1/2 Talbot腔并将外腔镜倾斜一个角度a的方法既能选择同相模,又能使模式的功率损耗最小。二极管激光阵列芯片采用CD金刚石材料,“三明治”结构对其进行封装,明显地减小了阵列的“smile”效应。在实验中实现了二极管激光阵列同相模的锁相输出,远场单瓣模的半高全宽为0.11 mm。     

体布拉格光栅外腔半导体激光器光谱特性研究

用体布拉格光栅(VBG)作为反馈元件与瓦级半导体激光器(LD)以及快轴准直柱透镜构成一个可以将半导体激光器的工作波长稳定在体布拉格光栅布拉格波长处的外腔激光器。测量了体布拉格光栅外腔激光器的波长稳定性与其工作电流、热汇温度、激光束准直装置等因素的关系。分析了波长稳定效果与半导体激光器增益谱特性、外腔结构参量等因素的关系。研究表明,在相同的工作电流、热汇温度下,当准直柱透镜直径为0.4 mm时的波长稳定效果较好;在此情况下,当热汇温度控制在30℃,工作电流从0.5 A增加到1.5 A的测量范围内,以及当工作电流固定在1.5 A,热汇温度从20℃增加到35℃时,测得的光谱特性表明,半导体激光器的工作波长可以很好地稳定在体布拉格光栅的布拉格波长处。与该激光器在同样条件下自由运转的光谱比较,可以看到,自由运转激射波长与体布拉格光栅的布拉格波长差值小于2.6 nm情况下,可以获得很好的波长稳定效果。实验也表明,当该值大于4.8 nm时波长稳定效果变差。     

采用多波长光束组合改善二极管激光阵列的光束质量

 基于多波长光束组合技术,利用光栅的衍射和外腔的反馈,将二极管阵列的发光单元锁定在不同的波长上,相邻单元的出射光波长有微小的差异。从外腔耦合镜输出近似平行的光束,其光束质量等同于单个发光单元的光束质量,而组合光束亮度随着组合光束个数定标放大。实验中采用发光单元宽度为100 μm、填充因子为0.5、由49个单元构成的1 cm 阵列获得功率为2.39 W的输出光束,其光谱宽度为27 nm,远场光斑的直径为0.08 mm,对应的远场发散角为1.2 mrad,其光束质量因子约为28,与单个发光单元的光束质量相当。     

光纤激光器频谱组束的理论研究

 建立了由光纤激光器阵列、薄透镜和衍射光栅组成的频谱叠加理论模型,基于高斯光束的变换和衍射理论,推导出远场光强分布的关系式,探讨了系统参量的优化设计并进行了数值模拟。结果表明：当中心波长激光器的-1级干涉主极大与槽面衍射主极大重合、零级干涉主极大刚好落在槽面衍射的+1级零值极小上、其它波长激光器的-1级干涉主极大与中心波长激光器的槽面衍射主极大重合时,输出光束的衍射效率较高;当光栅平面法线与薄透镜光轴的夹角为衍射光栅槽形角的一半时,输出光束的半角宽度较小。     

半导体激光光栅外腔光谱合束压窄光谱的理论研究

介绍了一种减少半导体激光器阵列光栅外腔光谱合束(SBC)整体光谱展宽的方法,通过加入一组变形棱镜对传统光谱合束结构进行了改善。变形棱镜的作用实现减小半导体激光线阵输出光斑宽度,减小入射到光栅上的入射角度进而减小整体的光谱线宽。采用发光单元宽度为100 m、周期为500 m、由19个发光单元组成的常规CM-Bar条进行光栅-外腔光谱合束技术的理论推导及软件模拟,得到了光谱线宽为3.2 nm。与通过增大柱透镜焦距来减小光谱线宽的方法相比,此方法的优势是保证了整体光谱合束的整体结构在500 mm以内,使得各个发光单元有足够反馈量,抑制光束间串扰,保证合束后的光束质量和效率。     

808 nm激光二极管阵列波长光束组合20 W输出

基于多波长光束组合技术,利用光栅的衍射和外腔的反馈,将激光二极管阵列(LDA)发光单元锁定在不同的波长上,以近似平行光束沿光栅的-1级衍射方向组合输出,改善LDA输出光束质量。实验采用发光单元宽度为100 μm、周期为500 μm,由19个单元构成的1 cm普通商用LDA,在连续运行最大注入电流60.6 A时,自由运转输出功率49.8 W时,获得功率为20.1 W的组合光束稳定输出,其光谱宽度为15 nm,对应的远场发散角由约70 mrad变为1.66 mrad,改善后光束质量因子约为32,其值与单个发光单元的光束质量相当。     

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4.1 nm。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。     

600 kV波形可调快前沿脉冲源的研制

介绍了一种波形可调的高电压快前沿脉冲源。该脉冲源由Marx发生器、脉冲成型组件、主开关、匹配负载、分流电阻、串联电感等部件构成。各部件自成一体,呈模块化分布。以Marx发生器作为初级储能,通过调节发生器输出端分流电阻、串联电感及脉冲成型组件等模块,可以输出包括双指数波和方波在内的5种脉冲波形。输出脉冲幅值在200~600 kV范围内可调,最小脉冲前沿可达2 ns。     

Comparative study on the propagation performance of coherently combined and incoherently combined beams

Taking phase error, turbulent atmosphere, jitter, vacancy factor and tilt error into consideration, we propose a general propagation formula for both coherent and incoherent combined beams with different kinds of aberrations. Comparative study on the propagation performance of coherent and incoherent combined beams is presented. Beam propagation factor (BPF) defined as laser output power in a specified far-field bucket divided by the total output power radiating from the effective near-field exit aperture of the laser beam is introduced as the beam quality factor to give a quantitative study. It is revealed that the coherent combined beam has great advantage when propagating in free-space compared with the incoherent combined beams. However, the coherent combined beam is more sensitive to the environmental aberrations, and the beam quality degrades faster with an increase in the aberrations’ intensity. Scintillation index as the high moments of the combined intensity field is also studied. It is revealed that both coherent and incoherent combined beams exhibit less scintillations compared with a single-aperture beam, and the incoherent combined beam demonstrates better scintillations reducing the performance. Our methodology offers an all-round performance evaluation on the two kinds of laser systems.     

Analysis of beam quality for the laser beams after spectral beam combining

The beam quality of the laser beams after spectral beam combining (SBC) has been analyzed in this paper. Based on the propagation model of the spectral beam combining system, the expression for the output field of an individual beam passing through the spectral beam combining system with lens aberration has been given and the intensity distribution of the combined beam has been studied by the principle of incoherent superposition. Consequently, according to the intensity second-order moments method, the M²-factor of the combined beam has been calculated and the effect of lens aberration on the characteristics of the combined beam has been analyzed quantitatively. It can be shown that the SBC system can improve the beam quality of laser array significantly, and the M²-factor of the combined beam passing through the ideal spectral beam combining system is almost the same as that of an individual beam. For the spectral beam combining system with lens aberration, the spherical aberration has greater effect on the off-axis beam than on the on-axis beam, and the beam quality of combined beam degrades with increase in lens aberration.     

基于多层介质膜光栅的谱合成系统光束特性分析

针对多层介质膜光栅在光束谱合成系统中的应用, 利用光线追迹方法, 建立了基于多层介质膜光栅的谱合成系统光传输模型. 多层介质膜光栅引入的相位调制包括浮雕表面上光程差与浮雕结构光程差两部分, 且受到光栅槽深、占空比和光束入射角等因素的影响. 利用衍射积分方法和光束非相干叠加原理, 计算模拟了基于多层介质膜光栅的谱合成系统的合成光束光强分布. 在此基础上, 利用强度二阶矩方法分析了合成光束的光束质量, 并讨论了多层介质膜光栅的槽深、占空比和制作误差等因素对合成光束特性的影响. 结果表明: 改变多层介质膜光栅的槽深和占空比以及中心光束入射角会影响合成光束能量, 但不会影响合成光束的光束质量, 合成光束的光束质量始终保持与单个子光束的光束质量相当; 多层介质膜光栅的制作误差对合成光束的光束质量和能量均存在明显影响.