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。     

二维激光阵列逆达曼光栅相干合束理论研究

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成为远场单一主瓣光束是一种实现高功率和高亮度相干合束的技术方案.以5×5和32×32二维相干激光阵列为例进行了理论模拟分析,同时分析了逆达曼光栅相干合束实验中相位板相位误差、逆达曼光栅对准误差和放置角度误差对合束效率的影响.理论分析及数值模拟计算结果表明,逆达曼光栅...     

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。     

用于光谱合束技术的透射光栅设计与优化

设计并制作了一种亚波长透射光栅,利用该光栅实现了半导体激光阵列光谱合束。基于严格耦合波理论,对光栅占空比、脊高和周期等进行了设计,模拟了不同结构参数对光栅衍射效率的影响,从而实现了光栅衍射效率的优化。理论计算表明,优化后的光栅对940nm激光的-1级衍射效率可达92%。实验结果表明,激光阵列光谱合束后,输出功率为46.2 W,光束质量为3.9mm·mrad。     

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。     

光纤激光光谱合束及光栅热效应研究进展

受热效应、光学损伤与非线性效应等因素的限制,单纤的功率提高困难。因此通过光学元件将多束激光进行合束的光束合成技术应运而生。光谱合束方案具有结构简单,合束光束质量好等优点,逐渐成为了合束技术发展的主流。简要介绍了光纤激光光谱合束的几种常见合束方案,对比分析了几种合束技术的优缺点。对光谱合束中存在的光栅热畸变问题,从理论研究和实验研究两个方面进行了针对性的分析与讨论,并对光谱合束未来的发展趋势进行了展望。     

光纤激光共孔径光谱合成实现5kW高效优质输出

采用多层介质膜衍射光栅实现多路高功率光纤激光共孔径光谱合成有望成为光纤激光同时实现高功率、高效率和高光束质量的最具发展潜力的技术途径。搭建了一套基于双光栅色散补偿设计的5kW共孔径光谱合成系统。采用国产多层介质膜衍射光栅实现了5路kW级窄谱子束激光的高效优质共孔径光谱合成,最大输出功率达5.07kW,光束质量因子(M2)小于3,合成效率达到91.2%。初步研究表明:多层介质膜衍射光栅在较高功率水平、较宽光谱范围内均能保持较高衍射效率,是实现高功率光纤激光高效率光谱合成的重要器件;参与合成的子束自身的光束质量水平和线宽是影响合成输出光束质量的重要因素,光谱合成系统的输出功率主要受限于窄谱子束的输出功率和合成路数,增加窄谱子束的功率或合成路数均可进一步提升系统的输出功率。     

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。     

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。     

基于衍射光学元件的激光相干合成研究进展

从衍射光学元件的基本原理出发,围绕连续波和脉冲波两大应用领域,综述了国内外基于衍射光学元件实现共孔径相干合成的研究进展。在国内,上海光学精密机械研究所分别实现了连续光和脉冲光的合成,连续光实现了206 W的输出功率,光束质量1.38,合束效率29.6%;脉冲光实现了峰值功率1.02 kW,重复频率2.2 MHz的ns级脉冲相干合成光束,合束效率61%。在国外,连续光方面实现了5 kW量级的合成光输出,合束效率82%;脉冲光方面实现了平均功率150 mW,重复频率100 MHz的fs级脉冲相干合成光束,合束效率83.4%。最后对基于衍射光学元件的激光相干合成技术的未来发展做出了展望,相信在不久的将来,基于衍射光学元件的相干合成技术会不断发展,逐渐突破技术瓶颈,从而为更多的应用领域奠定坚实基础。     

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.     

不同波形脉冲激光的时域误差对相干合成的影响

相干合成技术是实现高功率、高亮度光纤激光系统的重要技术途径.然而, 脉冲激光阵列中常常存在时域误差,这将影响脉冲激光的相干合成效果. 建立了脉冲激光存在时域误差时的相干合成理论模型,并在不同波形(方波、三角波、正弦波) 的脉冲激光存在时域误差时,对相干合成光束在远场的脉冲波形、峰值功率、 光强分布和桶中功率(PIB)等特性进行了数值计算和对比分析.计算结果表明: 方波脉冲激光相干合成光束的脉冲波形受时域误差影响严重,光强分布和PIB随着时域误差 的增大发生线性变化;三角波脉冲激光相干合成光束的脉冲波形和峰值功率受时域误差 影响严重,光强分布和PIB在时域误差较大时随着时域误差的增大发生较为剧烈的变化; 正弦波脉冲激光相干合成光束具有较好的输出特性,在两路正弦波脉冲激光相干合成中, 将两脉冲之间的时延控制在脉冲持续时间的10%以内,就能取得良好的合成效果.     

Efficient conversion of light from sparse laser arrays into single-lobed far field using phase structures

An efficient beam-combining technique based on aperture filling is introduced to direct virtually all the energy of a mutually coherent laser array to the far-field main lobe. A comparison between this method and the Dammann grating method for beam superposition reveals the connection between the two and suggests specific applications for each.     

Diffractive-optics-based beam combination of a phase-locked fiber laser array

A diffractive optical element (DOE) is used as a beam combiner for an actively phase-locked array of fiber lasers. Use of a DOE eliminates the far-field sidelobes and the accompanying loss of beam quality typically observed in tiled coherent laser arrays. Using this technique, we demonstrated coherent combination of five fiber lasers with 91% efficiency and M2=1.04. Combination efficiency and phase locking is robust even with large amplitude and phase fluctuations on the input laser array elements. Calculations and power handling measurements suggest that this approach can scale to both high channel counts and high powers.     

Influence of laser mode on splitting beam illumination effect of Dammann grating

The influences of various laser modes on the splitting beam effect of Dammann grating are studied in theory and by numerical simulation. The results show that fundamental mode laser resembles plane wave while high order mode laser differs from plane wave in the splitting beam effect by Dammann grating. Therefore, the fundamental mode laser is more suitable to be the light source to improve the energy efficiency in far-distance image detecting systems, such as laser image ladar, which use Dammann grating in the ilhlmination svstem.     

High-power laser beam shaping by inseparable two-dimensional binary-phase gratings for surface modification of stamping dies

For surface modification of stamping dies, an inseparable two-dimensional binary-phase gratings is introduced to implement the wavefront transformation of high-power laser beams. The design and fabrication of the gratings are described in detail. Two-dimensional even sampling encoding scheme is adopted to overcome the limitations of conventional Dammann grating in the design of two-dimensional output patterns. High diffractive efficiency (>70%) can be achieved through the transformation of the Gaussian laser beam into several kinds of two-dimensional arrays in focal plan. The application of the binary-phase gratings in the laser surface modification of ductile iron is investigated, and the results show that the hardness and the wear resistance of the sample surface were improved significantly by using the binary-phase gratings.     

Experimental study on phase-locking of two high-power all-fiber lasers

By using a novel mutual injection technique, phase-locking and coherent combining of two high-power all-fiber lasers are realized and experimentally demonstrated. Steady interference strips with high visibility of 46% are observed. The coherent combined 407 W CW output power with a power-combining efficiency of up to 98% is obtained. The laser array works well with excellent stability. In the long time of high-power operation no thermal distortions or damages are observed. The proposed technique can be used to further scale up the coherent combined output power of high-power fiber lasers.     

高能固态激光阵列光束合成技术浅析

建立了高能固态激光阵列合成的模型,对相干合成型和非相干合成型的高能固态激光系统进行了分析和比较.引入光束传输因子(BPF)作为评价合成光束的光束质量,对湍流大气对板条激光器和光纤激光器相干合成与非相干合成远场光束质量的影响进行了定量分析.计算模型和结果为工程实际中合成方案的选择和评估提供了参考.     

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。     

高功率光纤激光的时间部分相干性对相干合成的影响

 将多个光纤激光器的输出光束进行相干合成是获得高功率、高光束质量激光的有效途径。利用准部分相干光(PPCB)模型,计算了高功率光纤激光器阵列发出的部分相干光在远场的能量分布,分析了激光的时间部分相干性对相干合成的影响。计算结果表明,随着单根激光器输出光束线宽的增大,远场光斑的图样基本保持不变,但峰值功率和Strehl比随之减小。对于采用的算例,要保证远场光斑的Strehl比大于0.8,单根光纤激光器的线宽不能超过5 nm。