波导结构对905 nm隧道结级联半导体激光器的光束质量和功率的影响

近年来,激光雷达应用对探测距离和灵敏度提出了更高的要求。905 nm半导体激光器作为其理想光源也亟待提升峰值功率与光束质量。在这个背景下,基于非对称大光腔结构研究了不同增益区类型和波导结构对905 nm隧道结脉冲半导体激光器的光束质量和功率效率的影响。通过优化增益区类型和波导结构降低了体电阻和内损耗;增强了限制载流子泄露的能力,提高了器件在高电流下工作的峰值功率和电光效率;通过提高高阶模对基模的阈值增益比值,抑制高阶模式激射,降低了远场发散角。在此基础上,研制的800 μm腔长、200 μm条宽的四有源区半导体激光器在100 ns脉冲宽度、1 kHz重复频率的脉冲功率测试中,41.6 A的脉冲电流强度下实现了峰值功率输出177 W;垂直于PN结方向单模激射,远场发散角半高全宽为24.3°。     

基于LIBS及时间分辨特征峰的激光除漆机理研究

激光除漆是一种高效、清洁的新型清洗技术，对激光除漆物理过程和机理的研究是该技术发展的关键。基于LIBS技术，测量得到油漆去除过程中等离子体的发光光谱，计算出油漆样品去除前后等离子体的电子密度和温度，研究了油漆中特征元素对应的光谱特征峰强度随时间的变化情况。结果表明，随着激光作用脉冲数量的增加，油漆去除深度逐渐增加，等离子体电子密度和温度在将漆去除干净的最后几个脉冲作用时呈下降趋势。油漆中Ti元素的所对应的特征峰信号持续时间为2个μs，油漆去除前后信号强度呈现跳跃减少，该现象可用于快速、准确、实时的判断油漆去除情况。     

基于发射光谱及成分分析的激光除漆机理研究

基于激光诱导击穿光谱和X射线能谱技术,测量了激光与油漆作用时发射光谱及作用前后元素成分的变化,以此研究了激光除漆的机理。实验测量了不同纳秒激光能量下激光诱导击穿油漆表面的光谱,计算了等离子体的电子密度和温度。通过扫描电子显微镜对油漆烧蚀形貌进行了分析,采用X射线能谱仪测量了烧蚀前后油漆成分的变化。研究结果表明,等离子体电子密度、温度以及烧蚀区域大小都随着入射激光能量的增加逐渐增加。在激光作用前后油漆中碳(C)含量明显降低,原子百分比从78.25%降低到67.07%,说明激光与油漆作用过程中发生了烧蚀。通过对比钛(Ti)元素、C元素和铝(Al)元素的相对原子比例,表明更高的激光能量下油漆烧蚀的更剧烈。该工作对深入研究激光除漆机理有重要意义。     

非圆对称光束M2因子矩阵的实验研究

M2因子的计算和测量与所采用的坐标系有关,所以对光斑为非圆对称的光束进行M2因子测量时,若选取的实验室坐标系不同或者是在非完全相同的实验条件下进行的测量,测量所得的M2因子并不唯一,这给实际应用中光束质量的评价带来了不便.为更方便地进行光束质量的评价,使得不同的实验室坐标系下测量所得M2因子统一,引入了两个交叉项来表征待测光束光斑主轴与实验室坐标系的位置关系,定义了M2因子矩阵.同时研究了M2因子矩阵的测量原理和方法,搭建了M2因子矩阵测试系统,实验研究了非圆对称光束的束宽以及M2因子随坐标系旋转的变化规律,测出了M2因子矩阵.     

扭曲光束的产生及表征

对于光斑主轴在传输过程中不停变化的扭曲光束,采用光斑主轴方向上的光束传输比对光束质量等特性进行表征和描述并不全面。针对扭曲高斯光束,在光束传输矩阵的理论计算的基础上,研究了通过双柱透镜产生扭曲光束的方法;推导得到了光束在交叉方向上光束传输比的表达式,并定义了一个新的物理量-光束的扭曲系数;分别采用光束传输矩阵和数值模拟,得到了不同柱透镜之间夹角和间距下的扭曲系数,通过光束传输比和扭曲系数共同对扭曲光束进行表征。结果表明,相比于单纯的光束传输比,两者的组合能够更好地对扭曲光束进行表征。通过实验对理论和仿真结果进行了验证,理论结果和实验结果相符。     

微纳光纤改善光束质量的研究

采用时域有限差分法(FDTD),在微米量级下,模拟了微纳光纤对于光束质量的改善情况。实验中所使用的微纳光纤是采用火焰熔融拉锥法,将单模光纤熔融拉锥制成的,并采用CCD测量光束质量因子M2,对比测量了光束通过普通单模光纤和熔锥微纳光纤的光束质量。实验结果显示,与普通单模光纤相比,熔锥微纳光纤可以改善光束质量。实验与FDTD模拟计算得到的结果相一致。     

CCD非线性效应对剪切干涉法波前检测的影响

利用径向剪切干涉法检测高功率激光波前时,由于探测器CCD非线性效应,在频谱中引入了除基频外的二级、三级等高次频谱分量,增加了频谱混叠的可能,使得对有用信息提取困难,降低了波前检测精度。从理论上分析了CCD非线性效应产生高次频谱分量和导致频谱混叠的原因,给出非线性条件下避免频谱混叠的条件,提出了通过提高空间载频的方法来减小或消除CCD非线性效应导致的频谱混叠。计算机模拟和实验结果表明,该方法能够有效抑制频谱混叠并显著提高波前检测精度。     

多结级联垂直腔面发射激光器失效分析

对自主研发的940 nm大功率三结垂直腔面发射激光器(VCSEL)单点器件的高温高电流老化失效后的器件进行了失效分析研究.首先,通过热阻测试确定了加速老化实验的结温,并计算了老化加速因子为104.随后,对老化过程中产生的失效器件进行失效分析.通过老化前后器件L-I-V、正反向V-I、光学及红外外观、近场光斑及透射电子显...     

飞秒激光烧蚀YAG晶体的阈值及孵化效应研究

孵化效应在超快激光烧蚀和加工的过程中起着重要作用。文中通过实验研究了波长为1 030 nm的飞秒激光烧蚀YAG晶体的阈值和孵化效应。在单脉冲作用时,YAG表面发生“温和”烧蚀,具有较小的烧蚀孔径和深度;多脉冲作用时,由于孵化作用的影响,烧蚀阈值随着脉冲数的增加而显著降低。分别采用三种孵化模型,对比研究了其对YAG晶体烧蚀阈值的拟合效果。通过实验和拟合,得到单脉冲作用下烧蚀阈值为F_th,1=(12.27±3.56) J/cm²;多脉冲作用下,饱和孵化阈值为F_th,∞=(1.82±0.37)J/cm²。该研究为飞秒激光精密加工中的能量和脉冲数等参数的控制提供了参考。     

不同衍射计算方法比较及误差分析

对多种衍射计算方法进行了比较及误差分析,为衍射计算方法的合理选择提供了指导.研究表明衍射距离小于波长的情况下,经典标量衍射或矢量衍射都有较大误差,需要使用电磁场仿真软件进行计算;波长量级下矢量衍射模型较为准确;一般距离下,矢量衍射与标量衍射计算结果几乎一致.标量衍射模型中积分法和角谱法计算结果的差距随着衍射距离的增加逐渐增大.相同物理尺寸下积分法的结果更加准确.增加网格采样点数只能够提高积分法的精度,对于角谱法可以通过增加衍射平面的物理尺寸来降低计算误差.通过物理实验验证了计算结果的正确性.