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。     

基于反射体布拉格光栅谱组束的设计

 针对反射体布拉格光栅谱组束中缺乏精密控制仪器的实验条件,采用透镜作为光束入射角和准直控制器件,设计了一种结构简单的谱组束系统。基于衍射效率方程,得到了光栅最佳设计参数;基于像差理论,得到了透镜最佳设计参数。针对该设计系统,对影响组束效果的因素进行了分析,并对组束效果进行了预测。结果表明：当激光束的谱宽小于1.5 nm时,设计系统的组束效率能超过90%;而当光束的谱宽达到2.1 nm时,设计系统也能获得超过88.7%的组束效率。     

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。     

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.     

基于二维结构薄膜的偏振选择相位光栅的研究

利用二维结构薄膜构建了具有偏振选择特性的新型相位光栅,借助严格耦合波分析(RCWA)方法计算了光栅各级衍射强度随入射光波长及入射角的变化,发现在垂直入射情况下,波长600—640 nm范围内,相位光栅对横向电学(TE)模主要产生0级衍射,而对横向磁学(TM)模产生±1级衍射,在波长633nm处,0级衍射光的偏振消光比为109.8,±1级衍射光的偏振消光比为334.6.利用时域有限差分方法对这种相位光栅的偏振分束现象进行了模拟,偏振分离角在玻璃基板内可以达到10°左右,最后模拟了入射角为23°时光栅对不同偏     

双棱镜改变写入Bragg波长的相位掩模技术

将一种可旋转的双棱镜引入到相位掩模技术中以改变光栅的写入Bragg波长.在该系统中,光纤光栅是由来自可旋转双棱镜所形成的波长为248 nm的紫外干涉条纹写入的,其中,相位掩模被用作 1级衍射光的分束器,通过双棱镜的旋转可改变两写入光束的交叉角.为了初始化Bragg波长的参考值,双光栅的顶角由相位掩模的 1级衍射角和双棱镜的折射率确定.因为在～100 nm范围内两光束的非对称旋转对光栅周期的改变是5×10~(-4) nm,双棱镜引入的光栅的闪耀可忽略.当Bragg波长的移位为1 nm时,棱镜最大的旋转角为～1 degree,最小的旋转角是～2.4 min.与Talbot干涉仪中平面镜的旋转角～23 s/nm相比,该相位干涉仪中棱镜的旋转精度降低了2～3个数量级.     

一种液晶相位调制特性的测量方法

提出一种基于衍射光栅的液晶相位调制特性测量方法.该方法利用液晶构建相位分别为0和φ的二值光栅,通过傅里叶光学的方法推导衍射光栅第0级衍射光斑光强和调制相位φ之间的关系,然后实测光强和液晶驱动电压之间的对应关系来得到相位和液晶驱动电压之间的对应关系,即液晶相位光栅的相位调制特性.最后利用测量相位调制特性结果构建液晶相控阵,用光束偏转误差验证调制特性测量结果,相位测量误差小于1×10~(-3)rad.     

恒偏向高分辨率变束棱镜光谱仪

现有的各种棱镜光谱仪器中,色散分光棱镜都采用等腰或等边棱镜(简称三棱镜),棱镜顶角一般为58-63°.这种棱镜都工作于最小偏向角状态,这时光线的出射角等于入射角,棱镜内的光线平行于底边,而出射光束宽度显然等于入射光束宽度,即两侧光束是对称的.当旋转棱镜时,满足上述条件波长的单色光即被分离出来.这就是单色仪的工作原理.对于摄谱仪器,只有一个波长工作于最小偏向角,其他则近似工作于最小偏向角,但其出射光束宽度仍等于成近似等于入射光束宽度.我们把这种等束工作的棱镜称作“等束棱镜”.至今,所有棱镜光谱仪器中的分光棱镜,均是这种棱…     

非相干光纤激光组束系统耦合效率的优化分析

单光束耦合效率是决定非相干组束系统输出功率的关键,它受到透镜焦距、光栅周期和光斑半径等参数的影响。为了寻求较为优化的系统参数,通过理论分析和仿真研究,结果表明对于中心波长1060nm的光纤激光,应当选择透镜焦距20cm,光栅周期5μm,并且需要将光斑半径控制在50μm左右。通过反解光栅频率及组束波长带宽的第一个零点来选择组束阵列宽度一定条件下较优的光栅参数。通过理论分析和数值计算,结果表明较小的光栅频率和光栅厚度对提高衍射效率是有利的。     

用光学全息方法制作准晶光子晶体

理论分析表明,用5束相干光干涉可以制作10重对称的准晶光子晶体.实验中,为了简化光路,利用5个光栅对一束平行光进行衍射,通过控制5个光栅的分布及光栅常数,进而得到制作10重对称准晶所需的5个光束偏转角度.实验结果与计算结果完全相符.     

Expansion of the channel number in spectral beam combining of fiber lasers array based on cascaded gratings

Aiming at the problem that the channel number in spectral beam combining (SBC) of fiber lasers array is limited by the narrow spectral selectivity of grating, a new scheme based on cascaded volume Bragg gratings (VBG) is proposed to expand the channel number. A system cascaded by two VBGs is presented and analyzed. A formula used to accurately determine the angle of incidence of all the channels is derived using rigorous coupled-wave analysis (RCWA). The channel number can be multiplied with increasing the number of VBGs. Numerical results show that the system based on cascaded VBGs is a good SBC combiner that has the ability to combine a large number of channels.     

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。     

双体布拉格光栅光谱反馈特性的理论研究

基于Kogelnik理论模型,以平面波为入射光,分析了双体布拉格光栅（VBG）的反馈特性。理论分析表明,采用双VBG结构,通过控制两个VBG的中心波长差,可以使光栅反馈的效率提高,带宽加宽。对于由两块带宽100 pm、衍射效率20%的VBG组成的双VBG反馈系统,中心波长相同时,衍射效率最大（33.3%）;中心波长相差84 pm时,其带宽为单VBG带宽的1.8倍（180 pm）。由于VBG的中心波长存在温度漂移特性,因此通过改变双VBG结构中VBG的温度可以实现衍射效率和带宽的改变,为泵浦源的优化提供有效可行的方法。     

Efficient power scaling of laser radiation by spectral beam combining

The possibility of achieving multikilowatt laser radiation by spectrally combining beams using volume Bragg gratings (VBGs) is shown. The VBGs recorded in a photothermorefractive glass exhibit long-term stability of all its parameters in high-power laser beams with power density >1 MW/cm2 in the cw beam of total power on a kilowatt level. We consider an architecture-specific beam-combining scheme and address the cross-talk minimization problem based on optimal channel positioning. Five-channel high efficiency spectral beam combining resulted in a >750 W near-diffraction-limited cw beam has been demonstrated experimentally.     

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。     

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.     

Inscription of high contrast volume Bragg gratings in fused silica with femtosecond laser pulses

We present volume Bragg gratings (VBGs) with a period of 1.075 μm inscribed in fused silica using a femtosecond laser and a phase mask. The femtosecond-inscribed VBGs can be used as reflecting elements with reflectivities of about 80% for a 1-mm-long grating. Due to the non-sinusoidal refractive-index shape, higher order Bragg resonances up to the 7th reflection order could be measured. Therefore, the Bragg gratings also reflect light in the visible-wavelength range.     

Power penalty of cascaded Bragg gratings in the presence of PMD and PDL

Considering the presence of birefringence in Bragg gratings, the spectral polarization mode dispersion (PMD) and polarization dependent loss (PDL) induced power penalty of eye opening is examined for a network with cascaded Bragg gratings. It is shown that when the birefringence in the grating is less than 10⁻⁵, the induced power penalty is less than 0.1 dB for a network with up to 30 cascaded Bragg gratings. However, when the grating birefringence is on the order of 10⁻⁴, the induced power penalty can be as high as 5.6 dB for a network with 14 cascaded Bragg gratings.     

基于体布拉格光栅的光谱合成的数值分析

 建立了分别用一个和两个反射式体布拉格光栅实现两路和三路光束合成的物理模型,模型中考虑了体布拉格光栅的吸收,并假设入射光束的光谱具有高斯线型。通过对两路和三路光谱合成的数值分析可知:当光谱宽度为0.1 nm时,两路和三路光谱合成的效率分别为98.76%和97.69%;当光谱宽度为0.3 nm的时候,对应的效率分别为97.34%和95.78%。随着光谱宽度的增加,合成的效率明显降低。当光谱宽度较窄时,实现多路光束较高的合成效率是可行的,这为高能激光的获得提供了一种确实可行的方法。     

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。