高功率激光二极管阵列端面抽运放大器新型耦合方式研究

就高功率激光二极管阵列端面抽运大口径放大器提出一种新的耦合方式：激光二极管阵列拟球面排布,其后紧接一个导管进行耦合传输. 用三维光线追迹法对这种耦合方式的特性进行模拟分析. 结果表明,该耦合方式能实现高的抽运耦合效率和高的能量沉积效率,在面积缩束比为30的条件下,该耦合方式的耦合效率和能量沉积效率最高可分别达96.7%,93.7%;当激光二极管面阵单元发光区域不小于导管输出端口径时,该耦合方式能实现抽运场均匀平顶分布;另外,采用该耦合方式,激光二极管阵列排列方式灵活,非对称排布时也可实现两维对称性好、均匀平顶分布的抽运耦合场输出. 建立了激光二极管阵列端面耦合实验系统,实现了85.4%的耦合效率和均匀的抽运耦合场输出. 关键词： 激光二极管阵列抽运固体激光器 端面抽运 均匀抽运     

透镜导管耦合系统中光线三维追迹模拟分析

半导体激光器抽运耦合系统是固体激光器的重要组成部分.非成像系统空心透镜导管构成的耦合系统非常适用于大功率的半导体抽运阵列.为了给出透镜导管耦合系统的最佳结构,需要研究抽运光束在耦合系统内及输出面的分布.利用几何光学理论,在三维空间内,建立了空心透镜导管中抽运光束传播的数学模型,推导了光束传播的三维轨迹方程;在全三维光线追迹的理论分析基础上,开发了模拟透镜导管耦合系统传输光线的3D计算机仿真软件;通过该软件可以自动获得全部抽运光线在透镜导管耦合系统中的真实传输路径及在耦合系统输出端面的分布.最后探讨了抽运光束通过空心透镜导管耦合系统后的能蕈转换效率.计算结果表明,空心透镜导管的能量转换效率可以达到96.08%以上.     

一种新型微透镜阵列成象式投影光刻系统的研究

从理论和实验两方面入手,系统地研究了微透镜阵列的形成原理和制作工艺,分析了微透镜阵列的面形结构,得到了联系微透镜阵列矢高与制作工艺参量的经验公式.并且将四片微透镜阵列耦合,形成一个深紫外光刻的1:1成象的多孔径微小光刻系统.从几何光学理论出发,分析了这个光刻系统综合成象的特点,讨论了这种光刻系统的光学性能,并给出了实验测量方法.     

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.     

高功率叠阵二极管激光器光束整形

采用光线追迹法详细分析线阵二极管激光器经微球面柱透镜快轴准直后的光强变化情况,利用快轴准直微球面柱透镜的球差可调整输出激光光强分布的特性,得出了快轴准直输出发散角约5°时光强分布具有较好的平顶形式。根据叠阵二极管激光器输出光的特点,设计了由25个二极管激光器组成的叠阵二极管激光器的光束整形输出系统,该系统由快轴准直微透镜、快轴耦合透镜和慢轴耦合透镜组成,把需要泵浦的激光介质薄片设计在快轴耦合透镜的焦点上,并且在慢轴耦合透镜的成像面附近,得到了7mm×8mm的泵浦光斑,光强不均匀性约10%,输出效率达到85%。     

紫外衍射微透镜阵列的设计与制备

为了提高紫外焦平面阵列的填充因子,可以通过微透镜阵列与紫外焦平面阵列的集成,以改善紫外焦平面阵列的探测性能。根据标量衍射理论设计了用于日盲型紫外焦平面阵列的128×128衍射微透镜阵列,其工作中心波长为350nm,单元透镜F数为F/3.56。采用组合多层镀膜与剥离的工艺方法制备了128×128衍射微透镜阵列,对具体的工艺流程和制备误差进行了分析,测量了衍射微透镜阵列的光学性能。实验结果表明:衍射微透镜阵列的衍射效率为88%,与理论值95%有偏差,制备误差主要来自对准误差和线宽误差。紫外衍射微透镜阵列具有均匀的焦斑分布,与紫外焦平面阵列单片集成能较好地改善器件的整体性能。     

kW级光纤耦合输出二极管激光器模块

基于二极管激光器mini-bar的光纤耦合方式是一种降低耦合系统成本并提高整体转换效率的方法, 为此,采用40片封装在铜微通道冷却器上的连续60 W二极管激光器mini-bar组成空间叠加阵列,作为耦合光源,采用非球面柱透镜及柱透镜阵列对mini-bar叠阵进行了快轴与慢轴的准直,实现了两列叠阵的激光束沿快轴方向的空间合成以提高叠阵激光束的填充因子,合成后的激光束可以耦合进入芯径为800 m、数值孔径为0.22的光纤。测试结果表明,光纤耦合模块输出功率最高为1360 W,整体光光效率58%,光纤端面的功率密度达到1.73105 W/cm2。     

用于太阳光谱测量的光纤积分视场单元系统

三维成谱成像技术是一种能够对观测视场中的所有展源目标进行实时光谱获取的技术,它可以通过单次采样同时获得目标光谱域和二维空间域信息。光纤积分视场单元(IFU)则是天文三维成谱成像技术的关键器件,通过将接收的像面切分,将像面信息细分到若干单元传递至光谱仪,在此过程中二维的展源目标被重整为互不干扰的线性排列供光谱仪进行采样提取,能有效提高天文观测的时间分辨率。介绍一种具有242光纤单元的IFU,该IFU目前应用于中科院云南天文台的光纤阵列太阳光学望远镜(型号FASOT-1B)系统。为满足FASOT-1B的指标要求,获得高传输效率、高光谱分辨率和高时间分辨率观测效果,该IFU采用微透镜阵列加光纤阵列的结构,该微透镜为正六边形球面镜,实现接近100%的空间填充率。综合考虑光纤积分视场单元前置望远镜系统和后端光谱仪系统的设计参数,优化设计了一对11×11的微透镜阵列,相邻微透镜间距300μm,每个微透镜对应天区1.5″,以焦比F/8.2将接收到的光汇入与其对应的光纤纤芯中。系统分析光纤芯径与光谱仪光谱分辨率间的关系,设计的光纤规格为：35/105/125μm,该设计既能满足光纤接收微透镜所传递的全...     

石英微透镜阵列的制作研究

叙述了采用氩离子束刻蚀的方法制作线列长方形拱面石英微透镜阵列.所制单元石英微透镜底部的外形尺寸为(300×106)um²,平均冠高7.07μm,平均曲率半径202.19μm,平均焦距404.38μm,平均F₂数为3.82,平均光焦度2.47×10³屈光度,扫描电子显微镜和表面探针测试表明,所制线列石英微透镜阵列的图形整齐均匀,单元长方形拱面石英微透镜的轮廓清晰,表面光滑平整.所制微透镜阵列用于高T_c超导红外探测器阵列的实验证实,微透镜的引入可以显著改善超导探测器的光响应特性.     

光学微透镜阵列成像质量预测和测量

为了研究微透镜阵列成像质量的影响因素,针对慢刀伺服加工和紫外（UV）光固化工艺制备的微透镜阵列,引入微透镜阵列镜片的误差,建立基于Zemax光学软件的光学微透镜阵列成像仿真模型,分析透镜单元的高度、曲率半径、入瞳直径等误差对微透镜阵列成像质量的影响。搭建光学测试平台对评价微透镜阵列成像性能的光学参数进行检测,包括各透镜单元的焦斑大小、位置误差及其焦距值,并利用点扩散函数（PSF）曲线的半峰全宽值对光场成像结果进行成像质量评价,测量得到微透镜阵列的焦距标准误差为0.12 mm。将测量结果与仿真结果相比,可得PSF曲线的半峰全宽值误差在12%左右,证明了仿真模型的准确性。利用仿真和实验的方法建立了微透镜阵列镜片误差与其光学成像质量之间的关系,这可为基于功能实现的光学微透镜阵列的超精密加工工艺提供理论基础和指导。     

微透镜阵列误差对半导体激光匀化性能的影响

为了减小微透镜阵列误差对匀化光斑的影响,深入研究微透镜阵列光束匀化系统中微透镜阵列相对位置误差对光束匀化性能的影响,设计了一种微透镜阵列光束匀化系统。依据相对位置误差类型的不同,将双列微透镜阵列间六个自由度变化导致的误差分为距离误差、偏移误差以及转动误差进行分析,并对每种误差对光束匀化性能的影响进行了研究。采用6板条半导体激光器堆栈对上述匀化系统进行实验验证,实现了均匀性为90.75%的光斑,并对系统影响光斑性能的原因进行了分析。     

微透镜变化对半导体激光器光束匀化效果的影响

为了实现高均匀性的半导体激光器泵浦光源,研究了成像型光束积分器中微透镜的变化对泵浦光均匀性的影响。详细讨论了微透镜数值孔径与入射光束的角度匹配的问题。推导了高斯光束经成像型光束积分器的光场分布模型,分析了微透镜的边缘衍射对光斑均匀性的影响,明确了微透镜孔径大小的取值范围,并利用ZEMAX进行了系统仿真及实验验证。结果表明,经优化后的成像型光束积分器实现了不均匀性为8.11%的矩形光斑。     

One-dimensional reflective diffuser for line beam shaper with microlens array homogenizer

A laser beam shaping architecture based on a microlens array homogenizer has been exploited, in which the interference effect due to the coherency of the laser source deteriorates the uniformity. Moving diffusers have been considered as an effective way of averaging out the interference pattern. Because the uniformity is required in the line direction only, a one-dimensional reflective-type diffuser with a well-controlled diffusion angle has been proposed and prototyped. The diffuser is attached onto a rotating cylinder for movement in operation. The experiment demonstrates the effectiveness of the scheme, and a line beam with a uniformity of up to 92% has been achieved.     

光纤耦合LD光束特性及其对振荡光模式的影响

基于菲涅耳-基尔霍夫衍射积分理论,研究了端面泵浦固体激光器中泵浦源——LD阵列光纤耦合模块的输出光空间特性,及其对振荡光特性的影响。结果显示:LD阵列光纤耦合模块的输出光强分布不平滑,呈多尖峰分布,尖峰位置对LD光束指向角敏感,随指向角、空间排布等因素的变化而变化,是多种因素综合作用的结果;具有尖峰结构的泵浦光场对振荡光横模结构有直接影响,泵浦光尖峰位置越居中,光强径向分布曲线在轴心处越凸起,振荡光光束质量越好,越凹陷,振荡光光束质量越差,在激光器设计中应有针对性地具体考虑应对措施。     

Development of an ultraviolet imprinting process for integrating a microlens array onto an image sensor

We analyzed the feasibility of using a UV imprinting process to integrate a microlens array onto an image sensor. A simulated wafer-scale image sensor chip array was fabricated for the implementation. A microlens array with a side length of 4.63 microm, a sag height of 1.416 microm, and a residual-layer thickness of 1.15 microm was integrated onto the simulated image sensor. The standard deviations of the sag height and the residual-layer thickness were less than 0.038 microm and less than 0.164 microm, respectively, in whole-wafer-scale samples. The measured beam spot size (FWHM) at the imaging plane was 1.19 microm, with a uniform intensity distribution and pitch in the array.     

射线平板探测器成像系统的数理模型

非晶硅X射线数字平板探测器是目前唯一可取代胶片照相的新型技术,对其成像特性的研究已成为高像质的DR和三维CT检测技术的基础。目前X射线成像系统均是以线性时不变理论作为分析基础的。基于X射线平板探测器成像系统、成像机理和几何参数建立了成像系统的点扩展函数(PSF)。用圆柱体等效二维PSF模型,使成像系统退化为比例系统,从而把复杂的反卷积运算转化成用代数方程来求解,能够快速实现通过探测器输出图像来估计透照工件的二维输入图像。此模型的建立为在实际检测中利用输出的图像通过线性变换得到输入估计。在DR系统中,基于上述数理模型建立了灵敏度模型,利用输出场强可以很好的再现输入场强。     

微透镜阵列光学相控阵扫描技术研究进展

光学相控阵光束扫描技术在激光雷达、空间光通信和光开关等领域拥有巨大的应用潜力。微透镜阵列光学相控阵可以通过微透镜阵列间μm量级的相对位移同时对多个出射光束的二维倾斜相位进行调制,从而实现大角度二维光束扫描,具有出射口径大、结构简单、体积小、微惯性、多功能等优点。首先介绍了微透镜阵列光学相控阵的扫描原理,之后对微透镜阵列光学相控阵国内外的发展现状、应用和现阶段存在的问题进行了阐述,最后对微透镜阵列光学相控阵的发展趋势进行了展望。     

Optical fiber coupler array for multi-point sound field measurements

A pressure-sensitive device using an optical fiber coupler is proposed, and is integrated into an array system to measure sound field distributions. The optical coupling between two optical fibers is modulated by the applied sound field with the use of a membrane mechanically connected to the coupler. In the array system, a large number of the optical coupler sensors are connected two-dimensionally, and sound pressure at each sensor can be read out by switching the input light sources in turn. A prototype of the basic array system based on this principle was made, and its performance was demonstrated. The signal discrimination between each element was confirmed in a 2x2 array; then, using a four-element linear array, we demonstrated the steering of beam based on the phased array method.     

飞秒平顶光束经微透镜阵列在熔融石英中的成丝及其超连续辐射

实验研究了平顶激光光束经微透镜阵列在熔融石英中成丝的演化以及超连续辐射的产生,并进一步与高斯光束的成丝和超连续辐射进行了对比研究.分别对这两种光束的多丝传输进行了横向和纵向成像.结果表明,使用平顶光束可以获得更为均匀的多丝分布,成丝的起点也更为一致;尤其重要的是,相对于高斯光束,平顶光束可以使用更高的入射激光脉冲能量而不会造成介质的损伤,从而可以获得更高脉冲能量和更高转换效率的超连续辐射.