激光二极管抽运的高重频高平均功率Nd:YAG激光器

搭建了一台高重复频率、高峰值功率、高平均功率的激光器. 激光器主要包括三部分: 单纵模光纤种子源、激光二极管阵列抽运的Nd:YAG再生放大器和四程放大器. 系统获得了平均功率11 W、重复频率100 Hz、脉冲能量112 mJ、脉宽500 ps–2 ns可调的激光输出, 工作波长1064 nm. 输出光束口径6.8 mm, 1.5倍衍射极限, 近场光强近平顶分布, 能量稳定性为0.72%. 关键词： 激光二极管抽运 高重复频率 高峰值功率 高平均功率     

高功率光纤激光器中ASE噪声的测量方法（英文）

高峰值功率脉冲光纤激光器在激光雷达系统中有着广泛的应用。然而,光纤激光器中放大自发辐射噪声(ASE)严重影响了系统的探测性能。提出一种测量高峰值功率脉冲光纤激光器中ASE噪声的方法。在该方法中,首先对高峰值功率的激光脉冲衰减,然后在时域分别测量和计算ASE噪声和激光脉冲的相对能量。给出了光纤激光器在驱动电流分别为6A,7A和8A时衰减后的ASE噪声廓线以及ASE噪声占激光脉冲能量的比例。     

高功率光纤激光器中ASE噪声的测量方法（英）

高峰值功率脉冲光纤激光器在激光雷达系统中有着广泛的应用。然而,光纤激光器中放大自发辐射噪声（ASE）严重影响了系统的探测性能。提出一种测量高峰值功率脉冲光纤激光器中ASE噪声的方法。在该方法中,首先对高峰值功率的激光脉冲衰减,然后在时域分别测量和计算ASE噪声和激光脉冲的相对能量。给出了光纤激光器在驱动电流分别为6 A,7 A和8 A时衰减后的ASE噪声廓线以及ASE噪声占激光脉冲能量的比例。     

高功率激光放大器中的能量传输

片状放大器系统是高功率激光装置最主要的能量和功率来源，它主要解决驱动器的纵向能量传输和转换问题。放大器中能量转换主要通过储能组件、脉冲氙灯、泵浦腔和增益介质等单元部件实现。为了达到最佳的性能和最高的效率，必须使放大器每一个单元部件设计尽量最优，并保持较高的可靠性。影响储能的主要因素见图1。放大器的设计和优化，关联到众多元器件的协同配合，在各单元的设计中必须考虑到对系统的影响和指标分配。放大器的设计需要是在总体设计的框架下，以提高系统的储能效率、增益能力、降低热效应为目标，结合元器件的可靠性水平，进行系统设计。同样，合理均衡的能量转换和传输过程，也是决定放大器稳定可靠、高效运行的前提和保障。     

掠入射板条放大器链的热效应模拟分析

对LD泵浦的掠入射板条放大器链系统激光介质的热效应进行研究。针对掠入射放大器结构建立了相应的热力学模型,对激光介质的温度场分布、热致波前畸变和热透镜效应进行了详细的理论分析。利用有限元分析软件COMSOL模拟了晶体内部的温度、应力及应变的分布情况,并进一步讨论了板条厚度、泵浦尺寸以及种子光入射角对光程差和热透镜造成的影响。结果表明,随着泵浦光斑尺寸和种子光入射角的增大,光程差变小,热透镜效应减弱;板条厚度对光程差和热透镜的影响较小。模拟计算结果对于预测板条热效应的强弱、热效应的补偿,以及放大器链结构参数的设计提供了依据。     

多级碱金属蒸气激光放大器的输出特性

在全面分析碱金属蒸气激光放大器的激光动力学与流体动力学过程的基础上,结合热效应、饱和放大效应、放大自发辐射、高能级激发与电离的影响,建立了一个相对完善的物理模型来模拟流动散热条件下半导体抽运碱金属蒸气激光放大器的输出特性。计算模拟了纵向和横向两种不同流动方式下,气体流速对输出功率的影响,比较分析了高抽运功率密度下各能级粒子数密度的变化趋势,最后模拟了各级放大器的功率分配比对提高级联放大器输出效率的作用。结果表明:在相同工作温度条件下,多个等长蒸气池和均等抽运光功率分配能让高级数放大器获得比低级数放大器更高的放大倍数。所提模型有助于高功率碱金属蒸气激光放大器的参量选择和优化设计。     

高峰值功率掺Yb3+石英光纤脉冲单频MOPA

报道了基于掺Yb³⁺石英有源光纤的高峰值功率脉冲单频激光主振荡功率放大器(MOPA)。实验研究了主放大器中有源光纤长度对脉冲单频激光峰值功率、受激布里渊散射(SBS)阈值和光-光转换效率的影响,为优化激光器的转换效率和抑制SBS效应提供了依据。当使用的有源光纤长度为0.9 m时,21 W泵浦功率下脉冲宽度为2.4 ns、重复频率为20 kHz的1064.4 nm脉冲单频激光的平均输出功率为4.37 W,且没有明显的连续波放大自发辐射(ASE)成分,对应的单脉冲能量为0.22 mJ,峰值功率可达91 kW。最大输出功率时脉冲单频激光光谱线宽为279 MHz,光信噪比为45 dB,光束质量因子M2为1.44。     

基于大基模体积的10mJ飞秒钛宝石激光再生放大器

文章报导了基于大基模体积的高能量飞秒钛宝石激光再生放大器的设计与实验研究,在重复频率10 Hz、抽运能量60 mJ的激励下,得到了单脉冲能量17.4 mJ的种子脉冲放大结果,压缩后的脉冲宽度为40.6 fs,能量为13.9 mJ.借助于此大基模体积再生腔,仅增加一级多通放大,实现了峰值功率达1.9 TW飞秒激光脉冲输出.结果表明,大模体积再生放大不仅降低了后续放大对抽运能量的要求,也可以单独压缩实现再生腔直接输出10 mJ量级的飞秒激光脉冲,是大能量高峰值功率飞秒激光系统的优质前端.     

1.8 mJ高倍率Nd:YAG板条皮秒激光放大器

设计了一种高倍率的固体皮秒脉冲激光放大器,采用Nd:YAG板条作为激光增益介质。借助板条结构的角度选通结构,搭建了板条五通放大系统,实现了对注入皮秒脉冲激光的高倍率放大。种子源工作在脉冲模式,放大器泵浦源在连续模式工作。皮秒光纤激光器可以在不同的重复频率下工作,脉冲宽度为13.4 ps。种子光经过隔离和耦合系统之后,注入板条的单脉冲能量为25 nJ。当种子源工作重复频率为24.46 MHz时,板条放大器输出平均功率377 W,单脉冲能量15.5 μJ;当种子源工作重复频率为49.8 kHz时,板条放大器输出平均功率89 W,单脉冲能量1.8 mJ,峰值功率为134 MW,放大倍率达到7.2×104。     

分离式放大器结构参量对热效应的影响分析

对激光二极管端面抽运矩形分离式放大器引起的热效应进行研究,建立符合实际的Cr,Yb∶YAG/Yb∶YAG复合结构热传导模型.对分离式放大器结构中不同增益介质与包层结构下放大器内部温度场变化进行了分析,定量计算了对应材料内部的温度分布,并给出了出射端面波前相位分布随温度变化的情况.研究表明:在较薄的包层厚度和较小的厚度比下,介质端面温升更高,热效应加重;相对较厚的包层和较大的厚度比可使放大器的热效应明显减弱.该结果为降低复合结构激光放大器热效应提供了理论指导.     

多层介质膜脉冲宽度压缩光栅与超短脉冲作用时的性能分析

基于啁啾脉冲放大技术的超短脉冲激光系统是提供超快、超强激光的重要途径，具有良好输出波形和高损伤阈值的多层介质膜脉冲宽度压缩光栅是获得高峰值功率脉冲激光的关键. 基于傅里叶谱变换方法和严格模式理论，分析了多层介质膜光栅(MDG)在超短脉冲作用下的光学特性. 结果表明，当MDG的反射带宽小于具有高斯分布的入射脉冲的频谱宽度时，-1级反射脉冲呈非对称高斯分布，其前沿出现振荡，并且-1级反射脉冲能量开始剧烈下降. 讨论了MDG结构参数对其反射带宽的影响. 分析了MDG与超短脉冲作用时的近场光分布，对提高其抗激光损 关键词： 脉冲压缩光栅 傅里叶谱变换 模式理论 损伤阈值     

KrF准分子激光器中的ASE效应

论述了具有小纵横比（长／宽）介质的ＫｒＦ准分子激光放大器和振荡器中放大的自发辐射（ＡＳＥ）。导出了以激光负载为主的含放大的自发辐射的普适计算公式。编制了仅含纵向ＡＳＥ流变化的计算程序。分析并给出了在适度饱和增益下放大器的功率增益与抽运效率的最佳关系曲线以及相应的各参量选择值。可为ＫｒＦ激光放大器的设计及改善其光束质量提供理论参考。     

高功率二极管端泵浦板条模块波前畸变实验研究

二极管激光器阵列端泵浦Nd:YAG板条具有热效应低、波前畸变小的特点,温度场和应力场的不均匀是引起板条增益介质波前畸变的主要原因。对端泵浦传导冷却Nd:YAG板条增益模块的泵浦和冷却均匀性进行了优化设计,获得了板条激光增益模块静态波前畸变最大偏差（PV）值为0.22 m。该模块用于双通放大器实验装置中,测试了板条增益模块有无注入功率条件下的波前畸变,测得无注入功率波前畸变PV值为3.49 m,能量提取后波前畸变PV值为3.41 m。在注入功率3120 W时,获得输出激光功率4660 W,光束质量为3.88倍衍射极限,该模块光光效率为27%。     

LD泵浦Er,Yb∶glass板条多程放大器设计及热效应分析

设计了一种LD阵列泵浦的铒镱共掺磷酸盐玻璃(Er, Yb∶glass)板条放大器，通过多次折叠反射结构来提高能量提取效率，实现1.5μm波段较大能量的激光输出，激光放大增益可达35.29倍。基于稳态热传导理论，对所设计的Er, Yb∶glass板条放大器进行了热效应分析，建立了热力耦合模型，采用有限元方法比较不同参数条件下板条介质的热力学特性。结果表明通过提高板条宽厚比和减小泵浦光功率密度可以有效缓解热效应，在此基础上提出了一种补偿波前畸变的方法。     

脉冲LDA侧面泵浦大能量Nd:YAG激光器时变热效应分析

建立了激光二极管阵列(LDA)侧面泵浦棒状Nd:YAG增益介质时变热效应理论计算模型。采用有限元Ansys软件模拟分析了脉冲LDA侧面泵浦大能量固体激光器的时变热效应特性。研究结果表明,所研究的脉冲LDA侧面泵浦大能量Nd:YAG激光器热效应具有时变特性,介质横截面内中心点处的稳态温度场分布随时间呈锯齿形周期变化,锯齿形变化频率为LDA泵浦频率,脉冲LDA泵浦参数对介质稳态温度场分布有较大影响。分析和计算了介质内热梯度、应力双折射以及激光晶体端面效应等导致的晶体热透镜焦距。计算表明,介质的热焦距主要来源于介质内温度梯度引起的热透镜焦距。     

激光二极管端面抽运Nd:YVO4板条激光器及其热效应

激光器中激光介质采用板条状几何结构可以极大地降低它的热效应,但仍然需要进一步分析其影响,进而优化激光器效率.利用有限元分析方法分析了部分端面抽运的混合腔板条激光器中激光介质的热效应,计算的热透镜焦距与实测结果基本相符.分析了热效应对模式匹配的影响,分析结果对于优化激光器效率、改进谐振腔设计具有一定的参考价值.并在分析的基础上进行了混合腔实验,抽运功率为110 W时,获得连续输出激光功率41.5 W,光光转换效率约38%,斜效率达58.8%,M2因子为非稳腔方向M2x＝1.59,稳定腔方向M2y＝1.55.     

脉冲LDA侧面泵浦大能量Nd:YAG激光器时变热效应分析北大核心CSCD

建立了激光二极管阵列(LDA)侧面泵浦棒状Nd:YAG增益介质时变热效应理论计算模型。采用有限元Ansys软件模拟分析了脉冲LDA侧面泵浦大能量固体激光器的时变热效应特性。研究结果表明,所研究的脉冲LDA侧面泵浦大能量Nd:YAG激光器热效应具有时变特性,介质横截面内中心点处的稳态温度场分布随时间呈锯齿形周期变化,锯齿形变化频率为LDA泵浦频率,脉冲LDA泵浦参数对介质稳态温度场分布有较大影响。分析和计算了介质内热梯度、应力双折射以及激光晶体端面效应等导致的晶体热透镜焦距。计算表明,介质的热焦距主要来源于介质内温度梯度引起的热透镜焦距。     

声光调Q CO2激光器的输出特性

采用谐振腔内插入声光调制器（AOM）的方法获得了小型CO2激光器的高重频、窄脉宽、高峰值功率输出。通过分析CO2激光器声光调Q的工作原理,利用基于小信号增益和饱和光强的耦合输出数学模型给出了激光器最佳输出镜透过率的数值解,并运用相关实验装置对该数学模型进行了实验验证。理论分析和实验结果均表明：该声光调Q CO2激光器的最佳输出镜透过率为39%。研究了激光器输出性能随脉冲重复频率的变化规律,当脉冲重复频率〉1 kHz时,激光器输出峰值功率下降,这与CO2分子上能级寿命有关,并受声光调Q开关热效应的影响。实验中获得的激光器脉冲频率在1 Hz～100 kHz可调。在脉冲频率为1 kHz时,获得的激光脉冲宽度为156 ns,脉冲峰值功率为10 kW,且稳定性较好,非常适合于作激光与物质相互作用的光源。     

窄线宽纳秒脉冲光纤拉曼放大器的理论模型和数值分析

窄线宽纳秒脉冲光纤拉曼放大器在非线性频率变换、遥感探测和量子信息等领域有广泛的应用前景.综合考虑受激拉曼散射(stimulated Raman scattering,SRS)、受激布里渊散射(stimulated Brillouin scattering,SBS)、自相位调制(self-phase modulation)和交叉相位调制(cross-phase modulation)等非线性效应,建立了窄线宽纳秒脉冲光纤拉曼放大器的非线性动力学模型.仿真分析了放大器中脉冲激光的时频演化特性,对比研究了抽运脉冲宽度、光纤长度和信号光功率等因素对放大器性能的影响.研究发现,上述因素会影响放大器的SRS阈值、SBS阈值、输出激光线宽、激光转换效率等.例如,当脉冲宽度为800 ns时,SBS随着抽运功率的增加而发生,限制了激光功率的提升;减短抽运脉宽可以抑制SBS,但是输出激光的线宽易于展宽到数百MHz以上;增加光纤长度可以获得更低的SRS阈值和更高的转换效率,但是SBS效应和光谱展宽程度也随之增强.系统搭建中需要平衡各非线性效应,选择合适的系统参数.研究内容可以为窄线宽纳秒脉冲光纤拉曼放大器的设计搭建提供参考.     

激光增益材料的光诱导损伤特性分析

通过激光放大器获得高功率的激光输出时,增益材料的损伤特性决定了激光器的使用寿命。以激光二极管（LD）端面泵浦的单片钕玻璃激光放大器为例,对泵浦过程增益材料内部的光场特性和热效应引起的端面应变进行了研究。结合电子增殖理论,建立了一个激光增益材料场致损伤特性分析模型。研究了增益材料内部的雪崩电离速率和多光子电离速率的变化规律,并根据临界自由电子数密度确定了材料发生损伤的具体位置。研究结果表明,激光增益材料发生损伤的位置受到信号光初始光强值、脉冲宽度和泵浦光功率密度影响。当初始光场能量一定,脉冲宽度从10 ns增加到13 ns时,损伤点向入射端方向移动大约14 mm。泵浦光功率密度越大,端面热效应越明显,材料更容易发生损伤。