超大功率二维半导体激光列阵并路自适应稳模技术

半导体列阵量子效率高,输出波长范围涵盖570～1600nm,工作寿命可达数百万小时,叠层列阵可提供超高功率激光输出,在工业、医学等很多领域具有非常广阔的应用前景。但列阵在自由运行时,各发光单元发出的光是不相干的,输出质量差,采用1/4Talbot外腔镜耦合技术,列阵实现了空间锁相最高阶超模,然而唯有基超模远场分布是中心单瓣结构,输出接近衍射极限。为得到最小谱宽、最小发散角、最大功率密度输出,必须将外腔镜倾斜β=λ/2d(λ为工作波长,d为列阵周期),这使得仅有基超模光能成像于发光单元内而被允许振荡。应用此技术于超大功率二维半导体列阵相干锁相时,尽管冷却子系统保障了持续出光,但一段时间后,残余热效应等将导致外腔镜发生随机形变,使β漂移超过阈值使基超模失配,非基超模振荡使远场为非中心单瓣结构,极大地恶化了输出质量。可见,必须适时补偿β漂移,为此,在列阵超模选择稳定性分析基础上,研发了并路自适应稳模技术,并由置于特定结构中的传感探测光源、微透镜等构成的传感探测子系统、补偿子系统实现。试验结果显示,β漂移被及时感知补偿,基超模光稳定占优地成像于发光单元内,使输出光质量高,列阵性能被有效增进,在满足有高品质需求的应用上意义重大。     

偏振方向对阵列光束远场能量分布的影响

为了研究相干合成系统发光单元的偏振方向对相干合成远场光强分布的影响,以1维线性分布的阵列为例,利用傅里叶方法分析得到了单个发光单元的偏振方向偏离时相干合成的远场光强的解析表达式。数值计算结果表明:光源偏振方向的偏离使得远场中心光斑的峰值光强减小,光强的最小值不再为零,次瓣所包含的能量增大,但图样仍成对称性分布。对于5个单元合成系统,当单个发光单元偏振方向偏离π/2时,峰值光强减小到原来的68%左右。     

圆形高斯镜平凹腔腔内外激光场研究

运用边界元素法把圆形高斯镜平凹腔的自再现模的衍射积分方程转化为有限阶矩阵方程。计算了圆形高斯镜取不同反射率膜斑半径和中心振幅反射率情况下基模的场强分布、相位分布和本征值。研究表明:腔内光场分布半径随反射率膜斑半径的减小而增大,中心振幅反射率不影响光场分布半径;反射率膜斑半径影响远场分布,当其数值较小时,在光束的远场分布主峰周围产生弱衍射环;当高斯镜中心全反射时,远场分布随反射率膜斑半径的变化无明显变化;模式本征值随反射率膜斑半径的增大而增大。     

近场分布式平面光源光强测试方法

对近场分布式光度测量方法及测量机理进行研究,基于自主搭建的近场光源发光特性测量装置采集平面光源不同方向的亮度图像,分析了近场光度参量之间的转换关系及亮度数据处理方法,最终实现了近场分布式平面光源空间光强分布测量。通过构建平面光源发光模型,基于光度学和几何光学原理分析发光平面各个方向的光线分布,完成对光源不同方向的发光状态表征。与远场测量相比,所提近场分布式测量方法结果与远场配光曲线吻合良好,在所采用成像式亮度计亮度相对误差优于6.51%的情况下,所测得的光强相对误差小于8.38%,0°配光曲线匹配指数高达98.33%,验证了所提方法在近场光度测量中的有效性。     

划痕型缺陷对光场质量的影响

为了研究高功率激光系统中划痕型缺陷对光场质量的影响,采用分步傅里叶算法对非线性近轴波动方程进行求解,模拟分析了不同划痕参数(长度、宽度、深度)下,元件内部、光束近场、元件后传输光场以及光束远场的光强分布情况。数值模拟结果表明:随着划痕长度、宽度或深度的增加,元件内部以及元件后传输光场的峰值强度和对比度均会相应增强;光束近场的光强对比度也会略微增大;对于光束远场的强度分布,与划痕宽度方向所对应的频谱能量会不断增强。该项研究工作可以为划痕检验标准的制定提供一定的定量分析依据。     

光纤激光器频谱组束的理论研究

 建立了由光纤激光器阵列、薄透镜和衍射光栅组成的频谱叠加理论模型，基于高斯光束的变换和衍射理论，推导出远场光强分布的关系式，探讨了系统参量的优化设计并进行了数值模拟。结果表明：当中心波长激光器的-1级干涉主极大与槽面衍射主极大重合、零级干涉主极大刚好落在槽面衍射的+1级零值极小上、其它波长激光器的-1级干涉主极大与中心波长激光器的槽面衍射主极大重合时，输出光束的衍射效率较高；当光栅平面法线与薄透镜光轴的夹角为衍射光栅槽形角的一半时，输出光束的半角宽度较小。     

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。     

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.     

对透射光栅光强极值位置的探讨

分析了透射光栅衍射光强分布的极值问题.结果表明,除了零级衍射主极大以外,光栅衍射光强的各级主极大的位置与光栅方程所确定的位置并不严格重合.结合一个实例,通过数值计算给出了二者的差异.     

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。     

一种实现光纤激光器高功率输出的方法

介绍了一种实现光纤激光器高功率输出的新方法——采用螺旋芯光纤，这种光纤是在光纤制作过程中按照一定的弯曲半径使纤芯呈螺旋状排布在光纤包层中。介绍了这种螺旋芯光纤的原理和其提高输出功率的能力，以及目前的理论与实验研究现状。基于该光纤，提出了一种光纤激光器相干合成新思想。     

体布拉格光栅外腔实现激光二极管阵列同相模输出

 采用体布拉格光栅作为商用二极管激光阵列外腔,通过将每个单元发出的光反馈回相邻单元实现了外腔锁相。采用这种方法对发光单元宽度为100 μm、周期为200 μm,由49个单元构成的二极管阵列进行了外腔锁相实验,在远场获得了高光束质量、窄带宽的稳定输出。二极管激光阵列自由运转下功率为15 W,经外腔锁相后输出功率为3.67 W,对应光束远场发散角1.47 mrad, 光谱的峰值半宽由1.7 nm压窄到0.17 nm。     

DLA光源质量对光栅-外腔谱合成系统光束质量的影响

在二极管激光阵列(DLA)光栅-外腔谱合成系统中,由于DLA存在子单元光束发散角、“smile”效应的位置偏差及指向性偏差等因素的综合作用,将导致合成光束的光束质量降低。综合考虑DLA子单元光束发散角、“smile”效应等因素对谱合成系统中光束传输特性的影响,建立了DLA光栅-外腔谱合成系统的光传输模型,进而对谱合成系统中DLA子单元光束发散角、“smile”效应的位置偏差及指向性偏差等因素对合成光束的光束质量影响进行了定量分析。结果表明,DLA光源质量会明显影响合成光束的光束质量：DLA子单元光束发散角和“smile”效应引入的指向性偏差越大,合成光束的光束质量就越差;“smile”效应引入的位置偏差在合束方向上对合成光束的光束质量没有影响,而在非合束方向上引入的位置偏差将会明显降低合成光束的光束质量。在实际工作应用中,需要采取措施提高DLA光源质量,以减小对合成光束的光束质量影响。     

外腔锁相中二极管激光阵列发光单元间耦合系数分析

 推导了外腔中二极管激光阵列各发光单元之间的耦合系数，结果表明：增加外腔长度有利于减小各阶耦合系数的差别和实现“并联耦合”，但是外腔的作用效果下降；降低阵列前端面的反射系数，有利于实现外腔锁相；外腔锁相中并联耦合的单元数越多，激光二极管阵列前端面的反射系数的允许值越小。     

超短脉冲染料放大器中的参数研究

对超短脉冲染料放大器(DLA)中放大的自发辐射(ASE)随泵浦强度变化的关系进行了实验研究,为了求得具有高储能、低自发辐射背景噪声的染料激光放大器的泵浦强度,我们用速率方程对实验结果进行了解析分析,获得了染料激光放大器的泵浦强度与染料参数(浓度、增益长度等)的近似关系式,以及相应条件下染料激光放大器储能和小信号增益的表达式,并与实验进行了比较.二者符合较好,从而为染料激光放大器的设计提供了参考.     

Annealing two-dimensional diffusion-limited aggregates

We have studied the structure of annealed two-dimensional diffusion-limited aggregates (DLA). The annealing process consists of introducing internal flexibility to the original DLA rigid structure as well as excluded volume interactions between particles. From extensive Monte Carlo simulations we obtained aggregates with fractal dimension slightly higher than that obtained for two-dimensional DLA structures. This is somehow surprising since the fractal dimension of the annealed structure is determined not only by connectivity but also by the competing effects of excluded volume interactions and configurational entropy, whilst in the rigid DLA only diffusion counts for the fractal-dimension value.     

Effects of the screening breakdown in the diffusion-limited aggregation model

Several models based on the diffusion-limited aggregation (DLA) model were proposed and their scaling properties explored by computational and theoretical approaches. In this paper, we consider a new extension of the on-lattice DLA model in which the unitary random steps are replaced by random flights of fixed length. This procedure reduces the screening for particle penetration present in the original DLA model and, consequently, generates new pattern classes. The patterns have DLA-like scaling properties at small length of the random flights. However, as the flight size increases, the patterns are initially round and compact but become fractal for sufficiently large clusters. Their radius of gyration and number of particles at the cluster surface scale asymptotically as in the original DLA model. The transition between compact and fractal patterns is characterized by wavelength selection, and 1/k noise was observed far from the transition.Received: 2 March 2004, Published online: 14 December 2004PACS: 05.40.Fb Random walks and Levy flights - 05.50. + q Lattice theory and statistics (Ising, Potts, etc.) - 05.10.Ln Monte Carlo methods     

DLA模型的最可几方法研究

用最可几方法对DLA模型进行了研究，求出了DLA集团粒子的最可几分布、分维数和屏蔽指数，所得结果与计算机模拟结果相符合 关键词：     

Adsorption thermodynamics of interacting particles on diffusion-limited aggregates

Grand canonical Monte Carlo simulations have been performed in order to study adsorption thermodynamics of pairwise interacting particles on fractal surfaces. Diffusion-limited aggregates (DLA) have been used as a substrate where interacting particles are adsorbed. In order to obtain aggregates with different morphologies, DLA clusters are generated on different strongly correlated surfaces. Adsorption isotherm, adsorption energy and differential heat of adsorption were calculated for attractive and repulsive nearest-neighbor (NN) lateral interactions. For the case of repulsive couplings and low temperatures, four novel ordered phases has been found in the adsorbate, each one corresponding to the formation of a chessboard-like structure on sites with one, two, three and four NN sites, respectively. The values of coverage at which these ordered phases emerge are not symmetrical around θ=0.5. This is a consequence of the non-equivalence between vacancy and particle in the case of adsorption on fractal structures. The influence of ordered structures on thermodynamic quantities associated to the adsorbed monolayer has been analyzed and discussed in the context of the Lattice-Gas model.     

Finite size effect of harmonic measure estimation in a DLA model: Variable size of probe particles

A finite size effect in the probing of the harmonic measure in simulation of diffusion-limited aggregation (DLA) growth is investigated. We introduce a variable size of probe particles, to estimate harmonic measure and extract the fractal dimension of DLA clusters taking two limits, of vanishingly small probe particle size and of infinitely large size of a DLA cluster. We generate 1000 DLA clusters consisting of 50 million particles each, using an off-lattice killing-free algorithm developed in the early work. The introduced method leads to unprecedented accuracy in the estimation of the fractal dimension. We discuss the variation of the probability distribution function with the size of probing particles.