掺Yb光纤激光器阵列谱合成系统的光束传输模型及光束特性分析

建立了由掺Yb光纤激光器阵列、变换透镜、闪耀光栅和输出耦合镜组成的光束谱合成系统的光束传输模型.在考虑光栅角色散、光栅刻槽倾角误差和光栅衍射效率情况下,利用光线追迹法、衍射积分方法、光束非相干叠加原理和强度二阶矩方法,推导出高斯光束非平行倾斜入射到闪耀光栅的相位变化公式以及谱合成光束的光强分布解析表达式.分析了高斯光束非平行倾斜入射到光栅后,光栅角色散、光栅衍射效率和光栅刻槽倾角误差对掺Yb光纤激光器谱合成系统输出光束特性的影响.研究结果表明,谱合成光束具有与单根光纤激光器几乎相同的光束质量;光栅角色散对合成光束特性的影响可忽略;随着光栅刻槽倾角误差的增大,谱合成光束的光束质量明显变差;当光栅刻槽倾角误差较大时,必须考虑光栅衍射效率对合成光束特性的影响. 关键词： 掺Yb光纤激光器 非平行倾斜入射 光束谱合成 光束质量     

光栅角色散和制作误差对谱合成光束特性的影响

 考虑光束的发散、光栅角色散以及光栅制作过程中存在的刻槽倾角误差,应用光线追迹方法,建立了激光束入射到光栅时相位变化的计算模型。利用衍射积分方法和光束非相干叠加原理,推导出阵列光源各子光束经谱合成系统后合成光束的光强分布解析表达式。在此基础上,利用强度二阶矩方法,计算了合成光束的M²因子,并定量分析了光栅角色散和光栅刻槽倾角误差对谱合成光束特性的影响。研究结果表明:光栅角色散和光栅刻槽倾角误差的存在均会导致谱合成光束的光束质量变差,光栅刻槽倾角误差的影响比光栅角色散的影响更为明显。     

体布拉格光栅形变对高斯光束质量平方因子的影响

考虑热效应导致的体光栅表面形变引起体光栅背景折射率和周期的变化,进而引起体光栅介质介电常数的改变,对体光栅中传输的激光束特性的影响进行了研究。采用有限差分和稀疏矩阵的方法,对激光在有变形的体布拉格光栅中传输的波动方程进行数值迭代求解,并对激光束通过有形变的反射式体布拉格光栅后的功率反射比、光束束腰宽度、远场发散角和质量平方因子的变化进行了定量分析。结果表明,随着体光栅表面形变的增大,体光栅的功率反射比明显减小,输出光束的束宽、远场发散角和质量平方因子明显增大。     

光纤激光器谱合成系统合成效率的计算分析

在简化模型的基础上,从三能级粒子速率方程出发,结合光纤激光器的光束传输方程,推导出光纤激光器谱合成系统的输出功率和合成效率的解析表达式.在此基础上,对合成效率进行了计算分析,并讨论了影响合成效率的主要因素.结果表明,光纤激光器谱合成系统的合成效率主要由光纤激光器输出镜反射率、谱合成系统的外腔输出镜反射率、光栅衍射效率以及望远镜滤波组件透过率决定.     

体布拉格光栅形变对高斯光束质量平方因子的影响

考虑热效应导致的体光栅表面形变引起体光栅背景折射率和周期的变化,进而引起体光栅介质介电常数的改变,对体光栅中传输的激光束特性的影响进行了研究。采用有限差分和稀疏矩阵的方法,对激光在有变形的体布拉格光栅中传输的波动方程进行数值迭代求解,并对激光束通过有形变的反射式体布拉格光栅后的功率反射比、光束束腰宽度、远场发散角和质量平方因子的变化进行了定量分析。结果表明,随着体光栅表面形变的增大,体光栅的功率反射比明显减小,输出光束的束宽、远场发散角和质量平方因子明显增大。