垂直腔面发射激光器相干耦合阵列二维光束偏转

通过建立数值模型,分析了垂直腔面发射激光器相干耦合阵列单元数量、单元间距、单元间相位差对光束质量及偏转角度的影响.仿真结果表明,单元数量越多,发散角越小;单元间距越小,旁瓣强度越小;单元间相位差越大,偏转角度越大.因此,设计相干阵列时,需要尽量减小单元间距,增大阵列规模,实现单元间大相位差的控制.实验制备了3单元相干耦合阵列,通过分离电极实现了单元注入电流的独立控制以及单元间相位差的控制,最终实现二维方向上的光束操控.     

新型垂直腔面发射半导体激光器阵列

设计出四次质子注入工艺制备垂直腔面发射激光器(VCSEL)阵列的方法,实现了对阵列中单元器件间的隔离以及对单元器件注入电流限制的分别作用。一方面通过对VCSEL外延片上分布布拉格反射镜(DBR)两次较浅的质子注入形成高电阻区域实现对阵列中单元器件间的隔离,另一方面通过再次的两次较深度的可以达到有源区上表面的质子注入形成高电阻区域实现对单元器件注入电流的限制。由瞬态热传导方程对阵列中单元器件间的热相互作用进行了理论分析。采用四次质子注入工艺实现了2×2、3×3简单的二维GaAs/AlGaAs量子阱VCSEL阵列,并对器件的激射近场、光谱特性及功率等进行了测量。     

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。     

高斯光束的合成特性分析

 建立了矩形阵列高斯光束合成模型,采用数值模拟方法计算了光束间距、单元光束特性以及阵列结构等参数对非相干合成和同相位相干合成的远场峰值强度及光束质量的影响,描述了非同相位相干合成可能产生的结果,讨论了同轴与非同轴合成,相干与非相干合成的特点。结果表明：非相干和同相位相干合成时的光束质量随着单元光束的增多而变差,并且随着光束间距与单元光束束腰之比的增大而下降;而非同相位相干合成的结果较为复杂,可能产生完全相消干涉,合成光束“重心”离轴及束腰位置偏移等现象。分析认为：同轴合成可以获得最佳的光束质量,是值得采用的合成方式。此外,同轴相干合成优于非相干合成的充分条件是将单元光束之间的相位差控制在(-π/4,π/4)以内。     

SPGD算法在光纤激光相干阵列光束控制中的应用

主动相位控制的光纤激光阵列相干合成在提高输出功率的同时能够保证良好的光束质量,其关键技术在于光纤激光相干阵列的锁相控制。基于随机并行梯度下降(SPGD)算法的锁相控制方案不仅具有控制策略简单、系统结构紧凑的优点,而且通过算法性能评价函数和迭代参数的选取,能够对光纤激光相干阵列进行多种锁相控制,从而得到各种形式的阵列合成光束输出,实现与自适应光子锁相元件整列(APPLE)系统阵列的有效契合。理论研究并实验实现了基于SPGD算法的相位控制方案的同相相干合成锁相控制、合成光束主极大偏转控制和空心光束产生等功能,验证了基于SPGD算法的全电光束控制在各种形态光束控制中的可行性。     

大口径高功率激光二极管阵列端面泵浦技术研究

采用大口径、高功率激光二极管阵列的大型全固化二极管泵浦激光系统能够产生高功率、大能量、高重复频率和高光束质量的激光.为了实现对介质的高效泵浦,将空心透镜导管应用于大口径高功率激光二极管阵列耦合系统.基于3维光线追迹的数值计算方法,编制了LD纵向泵浦耦合系统模拟软件,对空心透镜导管进行模拟与设计,将发光面积超过100 cm2、功率达48 kW的二极管阵列发出的泵浦光,耦合到面积仅4 cm2的NdYLF中,在系统耦合效率超过70%的同时,增益介质表面泵浦场具有良好的均匀性.     

基于紧聚焦方式的阵列光束相干合成特性分析

为获得高功率、波长量级尺寸的聚焦光斑,提出利用紧聚焦方式实现阵列光束相干合成的新方案.通过建立阵列光束经紧聚焦方式相干合成的物理模型,分析了阵列光束的排布方式、偏振态、束宽、间距和紧聚焦系统数值孔径等参数对合成光束特性的影响及规律.结果表明,阵列光束经紧聚焦方式合束时,线偏振及圆偏振阵列光束均能获得较好的合成效果,径向偏振阵列光束次之,而角向偏振阵列光束则不能有效地合成.通过优化阵列光束的排布方式、束宽和间距,以及合理选择紧聚焦系统的数值孔径,能在保持较好光束质量和较高合成效率的前提下获得能量集中度高的焦斑.     

高功率准分子激光MOPA系统光束平滑技术研究

在充分调研大型激光系统多种光束平滑技术基础上,针对高功率准分子激光系统波长短、宽频带等特点,选用了无阶梯诱导空间非相干(EFISI)技术来实现角多路高功率准分子激光系统的平滑化。利用前端部分相干散射源和严格的像传递光路,开展了光束经预放大器1三程放大和预放大器2双程放大实验,研究了光束动态均匀性。实验结果表明,基于EFISI技术的平滑方法较好地保持了散射源的光束均匀性,经预放大器1放大后不均匀性为2.04%,经预放大器2放大后不均匀性为1.96%,能够满足高功率XeCl准分子激光角多路系统建设需求。     

贝塞尔-高斯涡旋光束相干合成研究

基于相干合成技术,提出了对特定离散空间分布的高斯光束阵列加载离散涡旋相位生成二阶贝塞尔-高斯(Bessel-Gaussian,BG)涡旋光束的方案.利用干涉法、桶中功率和相关系数对合成BG涡旋光束的拓扑荷、光束质量进行了定量评价及参数优化.结果表明:基于相干合成技术能够产生特定的目标BG涡旋光束,阵列子光束紧密排布时合成BG光束的光束质量更高.该方法的提出对于其他涡旋光束的产生或者涡旋光束功率的提高具有一定的参考意义.     

频率漂移对耦合激光器阵列锁相状态的影响

耦合激光器阵列可以通过激光器之间的倏逝波耦合实现相位锁定,是有望实现光束相干合成的方案之一。为了探究该阵列锁相状态的稳定性,分析了频率漂移对两路激光器阵列相位锁定状态的影响。通过对耦合激光器阵列动力学方程的数值研究发现,频率漂移将破坏激光器阵列的锁相状态,并引入相位噪声,导致输出远场光强分布不稳定; 研究还发现：倏逝波耦合能够对频率漂移的影响起到一定的抑制作用,但这种抑制只在频率漂移较弱时才有效,因此,如果将该阵列用于光束合成,加入相应的抗干扰措施还是很必要的。数值分析的结果还表明：频率漂移的低频成分对于阵列相位锁定状态的影响更为剧烈,因此,抗干扰措施应主要针对低频干扰来进行。     

FIB快速加工纳米孔点阵的新方法

纳米尺度的点阵在纳米器件和基础科学研究方面都具有非常重要的应用.目前普遍采用的聚焦离子束和电子束曝光技术可以很方便的在衬底上加工纳米量级的微细结构，但大面积的图形加工过程需要花费太多的机时.介绍一种利用设计图形BMP文件的像素点阵和实际加工区域之间的匹配关系，通过聚焦离子束加工获得所需要的纳米孔点阵的新方法.采用这种方法可以在短时间内获得大面积的纳米点阵结构. 关键词： 聚焦离子束 电子束曝光 纳米孔点阵     

Propagation of coherently combined flattened laser beam array in turbulent atmosphere

The analytical expression for the propagation of a flattened laser beam array in a turbulent atmosphere is derived based on extended Huygens–Fresnel principle. The influence of beam order and turbulent atmosphere on beam quality is studied. It is revealed that the beam quality of a coherently combined laser beam array with higher order is better than its lower order counterpart when propagating in free-space, weak and medium turbulence (i.e. C_n²<10^?13 m^?2/3). The beam quality of higher order beam arrays degrades faster as the intensity of turbulence gets stronger. In the case of propagating in strong turbulence, the beam order has no influence on coherently combined beam quality.     

掺Yb光纤激光器阵列谱合成系统的光束传输模型及光束特性分析

建立了由掺Yb光纤激光器阵列、变换透镜、闪耀光栅和输出耦合镜组成的光束谱合成系统的光束传输模型.在考虑光栅角色散、光栅刻槽倾角误差和光栅衍射效率情况下,利用光线追迹法、衍射积分方法、光束非相干叠加原理和强度二阶矩方法,推导出高斯光束非平行倾斜入射到闪耀光栅的相位变化公式以及谱合成光束的光强分布解析表达式.分析了高斯光束非平行倾斜入射到光栅后,光栅角色散、光栅衍射效率和光栅刻槽倾角误差对掺Yb光纤激光器谱合成系统输出光束特性的影响.研究结果表明,谱合成光束具有与单根光纤激光器几乎相同的光束质量;光栅角色散对合成光束特性的影响可忽略;随着光栅刻槽倾角误差的增大,谱合成光束的光束质量明显变差;当光栅刻槽倾角误差较大时,必须考虑光栅衍射效率对合成光束特性的影响. 关键词： 掺Yb光纤激光器 非平行倾斜入射 光束谱合成 光束质量     

Conversion of a high-order mode beam into a nearly Gaussian beam by use of a single interferometric element

We present a new, compact, and practical optical mode converter that efficiently transforms a high-order Hermite-Gaussian (HG) laser beam into a nearly Gaussian beam. The mode converter is based on coherently adding different transverse parts of the high-order mode beam by use of a single planar interferometric element. The method, configuration, and experimental results obtained with a pulsed Nd:YAG HG TEM10 laser beam are presented. The results reveal that the efficiency of conversion of a HG beam to a nearly Gaussian beam can be as high as 90%.     

Efficient formation of a high-quality beam from a pure high-order Hermite-Gaussian mode

We present a relatively simple method for efficiently transforming a single high-order mode into a nearly Gaussian beam of much higher quality. The method is based on dividing the mode into equal parts that are then combined coherently. We illustrate the method by transforming a Hermite-Gaussian (1, 0) mode with M(x)(2)=3 into a nearly Gaussian beam with M(x)(2)=1. 045 . Experimental results are presented and compared with theoretical results.     

磁性量子元胞自动机功能阵列的实验研究

采用电子束光刻、热蒸镀和剥离工艺在室温下制备了多组磁性量子元胞自动机器件功能阵列. 实验研究了曝光剂量和曝光时间对三个不同间距参数磁性量子元胞自动机阵列图案的影响, 发现100 pA电子束束流和0.38 μs曝光时间可获得理想的阵列图案. 对制备的反相器阵列结构进行了磁力显微测试, 结果显示了正确的逻辑功能, 成功实现了不同间距参数功能阵列的实验制备. 此外, 实验还发现纳磁体阵列制备中容易出现缺陷, 模拟结果表明丢失纳磁体缺陷导致了信号传递反相.     

高功率光纤激光阵列被动相干组束技术研究

对高功率光纤激光的被动相干组束技术进行了理论和实验研究.介绍了几种典型的被动相干组束技术,并对其功率可提升性进行了分析.详细报道了课题组在光反馈环形腔结构光纤激光相干组束方面的研究进展,研究分析了该相干组束技术的输出光谱特性和路数可提升性,建立了4路和8路高功率光纤放大器的相干组束系统,并分别实现了1062和1090W...     

A Novel Kind of Transverse Micro-Stack High-Power Diode Bars

Novel transverse micro-stack semiconductor laser bars are put forward to improve the output optical power of semiconductor laser bars at low injection current. More importantly, the novel laser bars have a coupled large optical cavity, which can overcome the problem of catastrophic optical damage and improve light beam quality due to the coherently coupled emitting along the transverse direction. The micro-stack tunnel regeneration tri-active region laser structure was grown by metal organic chemical vapour deposition. For a weakly coupled uncoated device, the optical power exceeds 60 W under 50 A driving current and the slope efficiency reaches 1.55 W/A. Further experiments show that the perpendicular divergence of 23° is achieved from transverse strongly coupled devices.     

Beam quality factor for coherently combined fiber laser beams

The beam quality factor for a coherently combined beam is studied in detail. A theoretical analysis and a numerical calculation are given to illustrate that the M² factor is not a proper means for evaluating the beam quality of a coherently combined beam. The beam propagation factor is introduced to evaluate the beam quality. The effect of phase error on the beam quality is also studied. Results indicate that the beam quality of a coherently combined beam depends mainly on the fill factor of the laser array and not on the number of lasers. It is also revealed that the allowed phase error does not change with the number of lasers in order to ensure the energy encircled in a certain bucket.     

Interconversion of photon-phonon in a silica optomechanical microresonator

In an optomechanical resonator, the optical and mechanical excitations can be coherently converted, which induces a transparency window for a weak probe laser beam. Here, we report an experimental study of transient optomechanically induced transparency(OMIT) using the silica microsphere with the breathing modes. The transient OMIT behavior obtained are in good agreement with theoretical calculations. In addition, the coherent interconversion between optical and mechanical excitations that can be used for light storage and readout has also been studied here. Our experimental results indicate that the light storage is closely related to the process of OMIT, and the photon-phonon conversion can be further applied to optical wavelength or optical mode conversion.