二维固体激光阵列逆达曼光栅相干合束技术模拟研究

采用逆达曼光栅将二维锁相相干的激光阵列进行相干合束并进行孔径装填是获得远场单一主瓣大功率高光束质量激光输出的一种有效技术方案,将其应用于大尺寸5×5固体激光相干阵列相干合束中,并进行了固体激光阵列合束孔径装填的理论分析和原理性验证实验,测量了系统的实际合束效率,同时进行了后焦面逆达曼光栅的加工和放置误差对合束效率影响的详细分析。实验结果表明,逆达曼光栅用于固体激光阵列相干合束是一种有效的技术方案,且可以通过调节光栅周期和傅里叶透镜焦距来适应系统对激光阵列占空比的要求。这对于开发基于逆达曼光栅相干合束的高功率高光质量的全固态激光系统具有重要的意义。     

相干激光阵列的逆达曼光栅合束孔径装填实验研究

提出一种相干激光阵列合束孔径装填的新方法,采用逆达曼光栅及相位补偿原理将多束锁相相干的阵列激光合束装填为远场单一主瓣的光束,给出了相应设计方案,并进行了模拟相干激光阵列合束孔径装填的原理性演示实验。实验结果表明,这是一种实现高功率和高亮度激光的有效技术方案。逆达曼光栅用于相干阵列激光合束是基于远场衍射原理,阵列面和光栅面为严格的傅里叶变换关系,具有原理简单、性能稳定可靠的特点,能够控制输出光束尺寸及其远场光束宽度,对于发展紧凑型、轻量化和高光束质量的高功率激光器系统具有重要意义。     

非相干光纤组束激光的光束质量分析

为了提高非相干光纤组束激光的光束质量,对影响光束质量的诸参数进行了分析。理论分析和数值计算结果表明,离焦量ε、透镜焦距f、组束阵列宽度W以及由光栅引入的角偏移θ_B是影响组束激光光束质量的重要因素。提出了一种采用双光栅组束结构抑制角偏移θ_B的方法。该结构仅适用于远场发散角θ_0与θ_B量级相当的情况。     

激光相干合成中单元的相位和振幅波动对合成光束远场分布的影响

运用傅里叶光学分析法推导出系统抖动造成单个光源的相位和振幅发生波动时的远场光强表达式,以1维阵列为例分析了系统抖动对远场的影响.研究表明:随着参与合束的发光单元数目的增加,尖峰变锐,能量更集中;系统抖动引起了远场峰值光强的减少.出现了本底现象,破坏了远场的对称性和光束质量;激光阵列单个光源的相位随机抖动应该控制在3 π/8范围内;相干合束发光单元数目越多,系统抖动对远场的影响越小.     

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。     

激光相干合成中单元的相位和振幅波动对合成光束远场分布的影响

运用傅里叶光学分析法推导出系统抖动造成单个光源的相位和振幅发生波动时的远场光强表达式,以1维阵列为例分析了系统抖动对远场的影响。研究表明:随着参与合束的发光单元数目的增加,尖峰变锐,能量更集中;系统抖动引起了远场峰值光强的减少,出现了本底现象,破坏了远场的对称性和光束质量;激光阵列单个光源的相位随机抖动应该控制在3/8范围内;相干合束发光单元数目越多,系统抖动对远场的影响越小。     

非相干光纤激光组束中光栅衍射效率的研究

提高非相干光纤激光组束的组束功率,需要增大光栅对组束激光的衍射效率。通过理论分析和数值仿真,结果表明对中心激光入射角偏移及组束光角偏移的精确控制是提高光栅衍射效率的光健,高的衍射效率对应较大的光栅周期和较小的光栅厚度。对于中心激光入射波长1060nm,应选择光栅频率200~400mm-1,对应的光栅厚度2~4mm。     

一维激光阵列相干合束远场特性的研究

利用傅里叶光学方法,获得了相干合束远场光强的解析表达式,数值模拟和实验研究了一维锁相二极管激光阵列的相干合束远场特性。研究表明:随着参与合束的发光单元数目的增加,尖峰变锐;同相模的光能集中在更小的立体角内,使得相干合束的亮度增加;异相模的光束能量较为分散,其峰值光强有所降低。系统抖动引起远场峰值光强的降低,破坏了远场的对称性和光束质量。相干合束发光单元数目越多,系统抖动对远场的影响便可以忽略。     

高功率非相干光纤激光组束方法研究

提高非相干光纤激光组束功率需要较高的光栅衍射效率,通过理论分析和数值仿真,结果表明光栅衍射效率对组束中心波长不敏感,而随着组束波长带宽的增大而急剧减小。为了增加可参与组束的光纤激光器数目,同时确保较高的光栅衍射效率,应将光栅频率f控制在200~400mm-1,光栅厚度t在1~2mm,理论上可以获得10kW量级的组束激光。     

利用非相干组束获得激光加工高功率光源

利用非相干光纤激光组束技术可以获得激光加工和光学制造的高功率光源。传输透镜及衍射光栅是决定组束系统效率的关键部件,通过理论分析和数值仿真,结果表明透镜焦距25cm、光栅频率200mm-1对组束系统是较为合适的。在此条件下,组束系统的平均衍射效率可以达到52.96%,输出功率可以达到千瓦量级。     

非相干光纤激光组束中光栅参数的确定

光栅衍射效率是非相干光纤激光组束系统的关键,理论分析和数值仿真表明光栅衍射效率随着光栅频率和光栅厚度的减小而增大。全面综合考虑光栅频率应该选取在200mm-1和400mm-1之间,光栅厚度在1mm到2mm之间。同时提出了一种不等间隔方法提高系统总体衍射效率,该方法较等间隔条件下衍射效率提高了0.1651。     

基于光谱合束技术的透射光栅模拟设计

半导体激光器光谱合束技术能够实现近衍射极限的高功率激光输出,已成为当前研究热点。衍射光栅的性能直接决定光谱合束的激光输出效果。模拟设计了一种针对940 nm波长、熔融石英材料的亚波长透射光栅。基于严格耦合波理论对光栅结构进行初步设计,运用Rsoft软件依次对光栅占空比、脊高和周期等参数进行优化确定,同时分析了各个参数对光栅衍射效率的影响。所设计的透射式光栅实现第-1级衍射级次的波分复用功能,衍射效率达到91.2%(TE模式),同时压缩其他衍射级次,使其衍射效率降到1.2%以下。同时在光栅入射角度59°±3°范围内保持90%以上的衍射效率,实现高功率激光输出的同时具有较高的误差容错率,易于调节,满足光谱合束技术的要求。     

基于达曼光栅的动态光耦合器

提出了一种基于达曼光栅的动态光耦合器,通过控制装置中达曼光栅位移参量,可实现入射光束的分束或合束以及两者之间的动态转换。适当选择达曼光栅类型可实现任意N×M的动态光耦合。实验中以1550 nm光波长为例,对1×8达曼动态光耦合器进行测量,测得其实现光开关功能时插入损耗为0.43 dB,实现光分束功能时均匀性达到0.03,单路插入损耗均值为10.5 dB。该实验装置易于调节、体积小、能耗低,且关键元件达曼光栅制作工艺成熟,易于批量化生产。特别是在实现中大规模光交换阵列时,该方案就具有更明显的优越性,有实用意义。     

基于空间滤波的光纤激光被动相位锁定技术研究

基于空间滤波的被动相位锁定,对掺Yb光纤激光阵列的相干组束进行了理论和实验研究.分析了基于空间滤波光反馈相位锁定的原理,研究了远场相干光斑Strehl比与激光波长及光谱带宽的关系.建立了二维四路掺Yb光纤放大器阵列的被动相位锁定实验系统,实现了稳定的相干耦合激光输出,远场光斑Strehl比为0.77.测得输出激光光谱中单个纵模的带宽约为9.1 GHz,与理论计算符合较好. 关键词： 光纤激光 相干合成 环形腔     

32路光纤激光相干阵列的相位锁定

报道了32路光纤激光相干阵列的相位锁定实验研究。搭建了32路光纤激光相干阵列实验系统,基于现场可编程逻辑阵列(FPGA)设计制作了高速高精度相位控制器。当相位控制器执行随机并行梯度下降(SPGD)算法对各路激光的相位进行锁定时,相干阵列输出的激光功率与不进行相位锁定时相比提高了约26倍。     

激光相干阵列探测中的二元全息光栅

从外差阵列探测出发，围绕木振光束整形问题，就计算全息位相光栅在激光相干雷达系统中的应用进行了理论及实施方面的研究，得出较好的结果。     

大功率半导体激光器光谱合束光栅热效应分析

提出了一种大功率半导体激光器光谱合束光栅仿真模型。该模型针对光谱合束中的核心器件光栅的光-热-应力变化特性进行了分析。数值分析结果表明,当激光巴条功率为200 W,自然对流系数为10 W·(m2·K)?1时,衍射光栅上温度最高点可升高至346.52 K,应力最高点可升高至0.4825 Pa,光栅表面变量最高为52.28 nm/mm,这将会使得反馈光束中心位置发生0.25～0.3 mm的偏移,从而影响激光功率以及合束效率。减少衍射光栅基底厚度,在相同激光光源条件下工作,温度、应力、面形以及应变的变化均能有效抑制,这与实验结果具有较高的一致性。该方法为大功率半导体激光器的结构设计和光学器件的测试分析提供了有效的多物理场分析,为激光器设计和测试提供了综合分析数值模型。     

多孔径激光阵列光束排布模式及误差对相干合成效率影响的研究

多孔径激光阵列相干合束是获得高功率、高亮度激光束的有效方法。为了设计更有效的多孔径激光阵列相干合成系统,主要分析了三光束"品"字形、七光束六角形、十九光束大六角等工程应用中的典型激光阵列排布模式对合成功率的影响,并基于MATLAB模拟了不同阵列排布情况下的激光相干合成情况,讨论光束排列的位置误差、发射光束光轴角度偏移误差以及各个相干合成阵列激光器之间的活塞相位误差对合成效率的影响。结果表明,不同的激光阵排布在观察位置处的光强分布差别很大;各光束之间的角度偏差越小,初始相位差越小,相干合成的效率越高。这些结果将对于指导设计多孔径激光阵列相干合成系统有重要意义。     

调相光栅的正交相干相位检测

本文提出了一种解调调相光栅相位的新方法.将一幅相位调制光栅图输入计算机,通过正交相干相位解调算法处理,能够高精度、快速地获得光栅的相位分布.本文详细论述了正交相干相位解调原理,并给出实验系统和处理结果,最后与其他类似的相位解调方法进行了比较.     

光学参数对激光阵列相干

利用傅里叶光学方法,获得了相干合束远场光强的解析表达式,讨论了相位、振幅和发光单元数目等光学参数对远场光束质量的影响。研究结果表明:随着参与合束的发光单元数目的增加,尖峰变锐;同相模的光能集中在更小的立体角内,使得相干合束的亮度增加;异相模的光束能量较为分散,其峰值光强有所降低;随着振幅比β的减少,相干合束远场光强的峰值相对变化率增加,远场光强分布出现了本底现象,远场干涉条纹对比度降低。