Sinc切趾布拉格光栅谱合成特性

 谱合成是获得高功率激光输出的有效方法。反射布拉格光栅衍射旁瓣是影响谱合成效率的主要因素。建立了sinc切趾布拉格光栅谱合成理论模型,采用传输矩阵法,分析了光栅参数对切趾光栅衍射特性的影响,以及入射光束光谱宽度和发散角对谱合成效率的影响。计算结果表明：sinc切趾布拉格光栅可有效抑制衍射旁瓣的影响,其一级衍射旁瓣和二级衍射旁瓣的峰值分别由62%和36%下降为0.57%和0.12%。通过优化光栅参数,利用sinc切趾布拉格光栅可实现窄光谱间距、高谱合成效率的多光束谱合成。切趾后,在10 nm的带宽内,参与谱合成光束的数目由7束增加为25束。对于波长为1 064 nm和1 064.4 nm的两束光谱合成,当入射光束光谱宽度小于0.15 nm,且发散角小于0.8 mrad时,谱合成效率达90%以上。     

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。     

基于体布拉格光栅的Nd:YAG/Cr4+:YAG激光器波长调谐特性

通过建立包含体布拉格光栅波长特性的速率方程模型,模拟了不同泵浦功率、体布拉格光栅中心衍射效率和带宽情况下,激光器的波长调谐特性,包括波长调谐范围、激光光谱、能量和脉冲宽度。实验搭建了以体布拉格光栅作为输出镜的激光二极管泵浦Nd:YAG/Cr~(4+):YAG激光器,测试了不同体布拉格光栅温度和泵浦功率时的激光波长、线宽、能量和脉冲宽度,实验结果和理论分析结果基本相符。在重复频率为10 kHz,脉冲宽度为40μs,峰值功率为10.7 W的矩形脉冲泵浦下,通过调整中心衍射效率为70%,带宽为60 pm的体布拉格光栅温度,获得了1 063.77～1 064.48 nm的波长调谐。当体布拉格光栅为50℃时,获得了单脉冲能量为109.5μJ,脉冲宽度为1.71 ns,中心波长为1 064.432 nm,线宽为38.3 pm,光束质量M~2因子小于1.2的激光输出。研究结果可为体布拉格光栅的应用、激光器的光谱分析及设计提供参考。     

体布拉格光栅用于高功率光谱组束的研究

使用透射型体布拉格光栅组束两束光纤激光,实现了856 W光谱组束输出。总的光谱组束效率为73.7%,组束光束的横向质量因子为7.9,纵向质量因子为2.7。研究结果显示,虽然体光栅的角色散严重影响衍射光束的光束质量,但其并不影响透射光束的光束特性。由于当前宽谱光纤激光器的输出功率远大于窄线宽输出,使用宽谱光纤激光器(光谱带宽超过4nm)作为透射光束,能够在不降低组束效率和组束光束质量的前提下,有效提升使用体布拉格光栅进行光谱组束的总输出功率。     

体布拉格光栅滤波片及其光谱成像应用

利用厚体布拉格光栅的波长选择特性对目标光场进行窄带滤波,是实现高光谱成像的一种新途径。基于严格耦合波理论,设计了体布拉格光栅结构,探索了厚体布拉格光栅的制作工艺,搭建系统光路验证了体布拉格光栅的光谱成像能力。研究结果表明:要获得较窄滤波谱宽,需要提高体布拉格光栅的厚度周期比,并严格控制入射光束发散角;刻写光束质量、震动和偏振会极大地影响制作的光栅条纹面质量,需要从优化写入光的光束均匀性、采用防震措施以及调整两刻写光束偏振一致性等方面优化刻写过程,以提高光栅的衍射效率和质量;验证了体布拉格光栅滤波片进行空间二维面阵成像的能力,宽谱光源透射条件下,通过对入射光束进行准直,滤波谱宽5 nm左右,空间分辨率约4 lines/mm;漫反射条件下,使用体布拉格光栅对进行色散补偿,能够实现较为清晰的成像,空间分辨率约4.9 lines/mm。     

复用体布拉格光栅的谐波分离以及光束取样特性研究

复用体布拉格光栅具有良好的波矢选择性以及可控的衍射效率.根据Kogelnik耦合波理论,分析复用体布拉格光栅作为谐波分离以及光束取样元件的可行性.结果表明,采用复用两片反射型以及单片透射型体布拉格光栅的结构,使得两片反射型体布拉格光栅对混有三个倍频成分的主光束中的基频、二倍频光束(1053 nm和527 nm)高效率衍...     

Hamming切趾技术提高体光栅光谱合成功率的研究

体光栅光谱合成技术是获得高功率激光输出的一种有效途径,体光栅衍射旁瓣是影响合成光束数目的主要因素。采用了Hamming切趾技术对体光栅旁瓣进行抑制,建立了Hamming切趾体光栅的折射率分布模型,分析了Hamming切趾体光栅的衍射特性,给出了Hamming切趾体光栅光谱合成效率公式,分析了切趾光栅对光谱合成效率的影响。计算结果表明:体光栅切趾后有效减小了体光栅对相邻合成光束的衍射损耗,切趾后,在20 nm的带宽内,谱合成光束的数目由13束增加为20束,谱合成效率达75.3%,光谱合成功率提高为切趾前的1.5倍。     

用于抽运铯蒸气激光器的半导体激光器波长稳定与线宽窄化研究

针对铯蒸气激光器对窄线宽与高稳定852nm半导体激光抽运源的要求,采用体布拉格(Bragg)光栅作为外腔输出镜,研究了体Bragg光栅衍射效率对外腔半导体激光器输出光谱特性的影响。研究结果表明,衍射效率为24%、32%与37%的体布拉格光栅均能够改善半导体激光器输出光谱特性;输出光束中心波长锁定在852nm附近、输出线宽约为0.26nm;外腔半导体激光器输出波长随抽运电流、温度的变化速率分别小于10.4pm/A、7.2pm/℃,优于自由运行半导体激光器;随着光栅衍射效率增加,全系统外腔效率从91%降低至86%。     

体布拉格光栅外腔红光半导体激光器实验研究

采用反射型体布拉格光栅作为反馈元件构成红光外腔半导体激光器,对器件输出光特性进行了实验研究。重点研究了体布拉格光栅的位置对红光外腔半导体激光器远场特性的影响。实验结果表明,减小体布拉格光栅与激光器芯片之间的距离可提高激光器的锁模效果,窄化光谱,并且改善慢轴方向的光束发散角。使用衍射效率为20%的体布拉格光栅,可将半导体激光器的输出波长稳定锁定在634 nm附近,光谱线宽压缩至0.7 nm左右,输出功率可达1.06 W。     

基于多层电介质光栅光谱合成的光束质量

基于电介质光栅的光谱合成是实现高功率高光束质量激光的重要途径. 在电介质光栅的光谱合成系统中, 光栅色散效应是影响合成激光光束质量的重要因素. 本文推导了单光栅和双光栅光谱合成系统中由于光栅色散引起M²因子的变化公式; 详细讨论了这两种合成系统中单路激光线宽、单路激光光斑半径、相邻两路激光波长差、相邻两路激光间距以及光栅周期对光束质量的影响. 研究表明对于单光栅合成系统, 在合成过程中若保持光束质量M²因子的大小不变, 则单路激光带宽随光斑半径的增加而减小; 在双光栅光谱合成系统中, 在保持光束质量的前提下, 单路激光带宽可随光斑半径的增大而相应增加. 数值计算表明, 若要满足合成光束的光束质量M² ≤1.2的要求, 在单光栅系统中激光线宽需窄于亚纳米量级, 在双光栅系统中激光带宽可为亚纳米. 本文为高功率、高光束质量的光纤激光光谱合成系统的搭建提供了理论指导.     

Volume Bragg grating stabilized spectrally narrow Tm fiber laser

A Tm-doped large mode area (LMA) silica fiber laser has been locked to a stable wavelength of 2,053.9 nm using a volume Bragg grating (VBG). The measured spectral width of the laser output was <300 pm, limited by the spectrometer resolution. Although this laser had modest output (approximately 5W) and slope efficiency (41%), this new approach to spectrally limiting the output of LMA fiber lasers is inherently extendable to kilowatt powers, opening up several applications including high-power pulsed fiber lasers and spectral beam combining. Performance characteristics of the laser compared to one using a dielectric mirror as a high reflector are described, and the results imply low VBG losses.     

Beam combining of lasers with high spectral density using volume Bragg gratings

Incoherent combining of multiple laser beams with offset wavelengths into a single near-diffraction-limited beam is an effective solution to increasing energy brightness and scaling output power of high-power lasers. Volume Bragg gratings (VBGs) recorded in photo-thermo-refractive (PTR) glass allow spectral beam combining with a remarkably high spectral density of channels. Spectral beam combining (SBC) of five channels within 1-2 nm bandwidth around 1064 and 1550 nm into a single near-diffraction-limited beam with absolute efficiency 92-94% is demonstrated. Scaling of this technique to multi-kW power level is discussed.     

基于透射型体布拉格光栅的两通道2.5kW光谱组束输出

体光栅光谱组束是获得高功率激光输出的一种有效途径.在有限的可用带宽内,光谱通道间隔影响着组束光束数目以及最终的高功率组束输出.采用耦合波理论,建立了一个两通道高功率光谱组束模型.通过优化体光栅光谱通道间隔,可放宽对组束子束线宽和功率的限制,组束功率可大幅提升而光谱密度并无显著下降.基于此,实验上获得了2.5 kW组束输出,绝对效率超过85%,通道间隔5 nm,光谱密度为0.51kW/nm.组束功率1 kW时,组束输出能保持好的光束质量;组束功率1.5kW时光束质量恶化较明显,通过分析发现,组束光束质量的恶化主要受限于体光栅的色散及高功率下体光栅复杂的热畸变.     

Effects of the deformation of reflection volume Bragg gratings on the M-factor of super-Gaussian laser beams

When high-power laser beams pass through a volume Bragg grating (VBG), the surface of VBG occurs distortion because of thermal effects, and it results in the decline of the grating’s performance. Considering distortion of the surface induces differences of the index and period, the scalar wave equations for super-Gaussian (SG) laser beams propagating in the reflection VBG have been solved by using finite-different and sparse matrix methods. The changes of the total power reflection coefficient, the beam width, the far-field beam angle and the M²-factor for the laser beams through the reflection VBG with deformation have been analyzed quantitatively. It can be shown that the deformation of the VBG affects evidently on the intensity and phase distributions, the total power reflection coefficient, the beam width, the far-field divergence angle and the M²-factor. The beam width, the far-field divergence angle, and the M²-factor of the output beams increase significantly with the distortions of the grating. The influence of the distortions of the VBG on the power reflection coefficient, the far-field divergence angle and the M²-factor of the output beams are smaller for higher beam orders.     

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。     

基于级联体光栅的光纤激光阵列谱组束

提出了一种基于级联体光栅(VBG)的谱组束方案,组柬阵元数可随级联体光栅的数目倍增.给出了一个双光栅级联谱组束系统实例,将组束阵元按波长分为两组,利用具有相应波长选择性的体光栅分别对它们进行组束,由于两个级联体光栅的角度选择性互不重叠,所有光束经第二个体光栅后都沿其布拉格(Bragg)角方向出射,实现近场和远场的功宰叠加.为保证各光束传播方向的一致性,采用严格耦合波理论推导出了准确计算光束入射角的解析式.数值计算结果表明各光束的平均衍射效率优于80%,在入射角偏离理论值不超过±5'(≈2.424×10-5rad)的条件下组束光中所有光束的传播方向偏差小于4×10-7rad.     

Propagation characteristics of annular laser beams passing through the reflection Bragg grating with deformation

When high-power annular laser beams produced by the unstable resonator pass through the volume Bragg grating (VBG), absorption of light in the VBG will induce a temperature increment, resulting in changes in surface distortion. Considering that the surface distortion of the grating induces index and period differences, the scalar wave equations for the annular laser beams propagating in the VBG have been solved numerically and iteratively using finite-difference and sparse matrix methods. The variation in intensity distributions, the total power reflection coefficient, and the power in the bucket (PIB) for the annular laser beams passing through the reflection VBG with deformation have been analyzed quantitatively. It can be shown that the surface distortion of the VBG and the beam orders of the annular beams affect evidently the intensity distributions, the power reflection coefficient, and the PIB of the output beam. The peak intensity decreases as the deformation of the VBG increases. The total power reflection efficiency decreases significantly with the increase in deformations of the VBG. The PIB of the output beam decreases as the obscuration ratio β and the deformation of the VBG increase. For the given obscuration ratio β, the influence of deformation of reflection VBG on the PIB of the annular beams is more sensitive with increase in distortion of the VBG and decrease in beam order.     

体布拉格光栅形变对高斯光束质量平方因子的影响

考虑热效应导致的体光栅表面形变引起体光栅背景折射率和周期的变化,进而引起体光栅介质介电常数的改变,对体光栅中传输的激光束特性的影响进行了研究。采用有限差分和稀疏矩阵的方法,对激光在有变形的体布拉格光栅中传输的波动方程进行数值迭代求解,并对激光束通过有形变的反射式体布拉格光栅后的功率反射比、光束束腰宽度、远场发散角和质量平方因子的变化进行了定量分析。结果表明,随着体光栅表面形变的增大,体光栅的功率反射比明显减小,输出光束的束宽、远场发散角和质量平方因子明显增大。