三镜折叠腔绿光激光器热特性分析和实验研究

为了提高固体激光器的热稳定性和光斑质量,讨论了LD泵浦三镜折叠腔绿光激光器的热焦距与泵浦功率、激光晶体长度、泵浦光发散角以及泵浦光聚焦位置的关系.利用谐振腔内往返传输矩阵算法,计算了在不同热焦距下,腔内元件不同长度时,其上的基模半径,理论上很好地实现了输出光斑的像散补偿.在532nm绿光实验中,以Nd∶ YVO4为增益...     

LD泵浦的全固体绿激光器研究

主要论述了用激光二级管(LD)泵浦、内腔倍频的绿激光器的原理和结构。在激光阈值、斜效率的讨论中指出:当LD的泵浦光束在激光晶体中的尺寸越小,光功率密度越高,激光阈值就越低,转换效率就越高;在放大基波的结构中,激光腔镜对基波的反射度越高,基波的放大倍数就越大,转换效率就越高;重点讨论了内腔倍频激光器中的“绿光问题”,指出造成“绿光问题”是由于模式正交分量之间的和频效应与空间烧孔形成的横向饱和;用Poincare图分析了激光器中出现的混沌行为;对如何克服“绿光问题”,得到稳定激光输出提出了几种方案。针对LD的光形状是一个椭圆光锥,选择了用多组透镜准直、棱镜对扩束的泵浦光传输系统方案;对腔体、激光膜层作了概述,具体提出了用平凹腔结构,并把激光膜层直接做在晶体上,可以减少腔内损耗;对YAG-KTP,YVO₄-KTP组合的绿激光器作了研究。在内腔倍频YAG激光器中观察到的实验现象很好地附合理论结果。在YVO₄-KTP的绿激光器中,比内腔倍频YAG激光器较容易得到YAG-KTP组合绿激光器,最大连续输出功率为14.4mW,阈值15.0mW,光-光斜效率为4.1%.YVO₂-KTP绿激光器:最大连续输出120mW,阈值100mW,光-光斜效率为6.3%.     

Er3+/Yb3+共掺双包层光纤的高功率L-band 光纤激光器的实验研究

采用端面泵浦的方式,用尾纤输出波长为976 nm的高亮度多模半导体激光器, 包层泵浦的铒镱共掺双包层大模面积光纤,非球面镜组耦合系统,进行了共掺双包层光纤的高功率L-band光纤激光器的研究,泵浦耦合效率达到了62%以上,并在F-P激光振荡腔中实现了高效的连续激光输出。在光纤长度为30 m、入纤功率为 13.41 W时,首次报道输出连续功率达到了4.3 W。激光器的斜率效率为44％, 激光输出中心波长1 603 nm。     

四程抽运Yb:YAG盘式激光器

报道了激光二极管阵列(LDA)抽运Yb:YAG盘式激光器。Yb:YAG晶体掺杂浓度10-at.%,几何尺寸为Φ10mm×300μm,采用铟焊工艺将其焊接到水冷系统上,用可调式恒温水箱对其进行温度控制。利用蒙特卡罗方法对抽运光斑的大小进行了计算,将反射镜轴向与光纤头轴向夹角控制在120以内,以使抽运光斑半径与基模光斑半径比符合模式匹配原则。使用两个Φ=30mm,R=50mm的球面反射镜,完成了四程抽运。在LDA抽运功率为4.13W时,获得了最高功率为670mW的1030nm连续激光输出,光-光转换效率为16.2% 。     

激光二极管阵列侧泵浦Nd:YAG板条热效应的研究

为了解决激光二极管阵列侧面泵浦激光板条引起的热效应问题,对于激光板条温度模式分布进行了研究。通过激光板条工作特点分析,建立了符合实际情况的热模型。基于热传导理论,建构了Poisson方程新的求解方法,得出了侧泵板条温度场与热形变场的一般解析表达式。该解析方法不仅解决了将板条内部热流线径向假设造成的温场计算误差问题,而且解决了数值分析方法带来的计算精度不高的问题。研究结果表明：使用输出功率为30W的激光二极管阵列侧面泵浦Nd:YAG板条,考虑耦合到板条侧面的高斯光斑半径为150μm、板条钕离子掺杂质量分数为1.0at.%,板条泵浦面具有102.3 oC的最高温升,泵浦面与通光端面同时发生1.54μm和2.66μm的最大热形变。并定量研究了激光二极管阵列不同泵浦功率以及不同泵浦光斑下Nd:YAG板条温度场的分布情况。研究结果可以用于侧泵板条激光器谐振腔的设计之中,为减小激光系统的热效应提供了理论依据。     

高功率980 nm垂直外腔面发射 激光器(VECSEL)的理论研究

利用周期谐振增益结构设计了以InGaAs/GaAsP/AlGaAs为有源区的980 nm二极管泵浦垂直外腔面发射半导体激光器。根据理论模型计算了纵模限制因子、阈值增益、光增益、输出功率等特征参数,优化了激光器特征参数并设计了OPS-VECSEL结构。理论计算表明,LD泵浦的垂直外腔面发射激光器的输出功率可大于1.0 W。     

163 MHz/786 fs高基础重复频率掺镱飞秒光纤激光振荡器

高重复频率光纤激光器因其光斑质量好、集成化程度高、光光转化率高等优势在光学频率梳、工业加工、超高速光学采样等领域有着举足轻重的作用。利用非线性偏振旋转（NPR）的锁模机理,设计并搭建了一款基础重复频率为163 MHz的“十字腔”型孤子锁模光纤飞秒激光器。该激光器锁模后在450 mW的泵浦功率下可以输出200 mW的最大功率,光谱半高宽为30 nm,输出脉宽为786 fs。通过进一步分析激光器泵浦功率与输出功率之间的关系,得到泵浦功率处于400～500 mW时,激光器处于最佳锁模状态,并且可以实现自启动锁模。所设计的激光器由于其更加紧密的光学频率梳齿、更好的成像质量和更快的成像速度,在精密光谱、天文探测等领域具有应用意义。     

四程抽运Yb∶YAG薄片激光器

设计了四程抽运的Yb∶YAG薄片激光器。选用掺杂原子数分数为10%,几何尺寸为Φ10 mm×300μm的薄片状Yb∶YAG晶体,采用铟焊工艺将其焊接到水冷系统上,用可调式恒温水箱对其进行温度控制。使用两个Φ=30 mm,R=50 mm的球面反射镜,完成了四程抽运。利用蒙特卡罗方法对抽运光斑的大小进行了计算,将反射镜轴向与光纤头轴向夹角控制在12°以内,以使抽运光斑半径与基模光斑半径比符合模式匹配原则。在LDA抽运功率为4.13 W时,获得了最高功率为670 mW的1030 nm连续激光输出,光-光转换效率为16.2%。实验结果表明:该结构可降低激光介质的热透镜效应和应力双折射效应,获得高光束质量的激光输出,但散热系统和焊接工艺需进一步优化。     

激光二级管泵浦KTP腔内和频激光器及噪声特性的分析

给出了采用了激光二极管泵浦Nd:YVO₄晶体产生1064nm与1342nm双谱线振荡的实验研究,通过KTP晶体II类相位匹配腔内和频产生输出波长为593.5nm的橙黄色激光的实验.在不同泵浦功率下,测量和分析了该激光器的噪声特性.根据和频激光器输出的纵模结构测量结果与和频光耦合波方程,研究了和频激光器的噪声与参与和频的基频光纵模之间的关系.结果表明:对于激光二极管泵浦Nd:YVO₄激光晶体,KTPII类位相匹配腔内和频激光器,如参与和频的2个波长中有一个波长为单纵模工作,尽管和频光输出为多个纵模,该激光器的输出仍为低噪声状态.如参与和频的2个波长全为多纵模,和频光输出为高噪声状态.在腔内和频过程中,虽然没有倍频过程中的和频引起模式竞争,但参与和频2个基频光的不同模式间的交叉和频和同一波长的不同模式间的增益饱和,也产生了与绿光问题类似的输出噪声和不稳定状态,但噪声特性要好于同类的腔内倍频激光器.     

1.1 W内腔和频连续波橙黄光Nd:YVO4激光器

研制了一种由激光二极管阵列端面泵浦的Nd:YVO4晶体腔内双波长和频连续波大功率橙黄光激光器.利用I类临界相位匹配LBO,由1 064 nm和1 342 nm内腔和频获得了593 nm橙黄激光.在12 W注入泵浦功率下,获得了1.1 W的TEM00模和低噪声橙黄激光输出,光光转换效率为9.2%,M2因子＜1.2,4 h功率不稳定度＜±2%.该输出功率是目前腔内和频593 nmNd:YVO4激光器中最高的.     

宽带掺钛蓝宝石激光器的理论及实验的初步研究

本文从理论上阐述了掺钛蓝宝石的激光特性并提出了谐振腔设计的优化方案。在室温条件下,实现了调Q倍频YAG激光泵浦下直腔式掺钛蓝宝石激光器的脉冲激光运转。波段范围为820nm～920nm。     

808nm高亮度半导体激光器光纤耦合器件

针对单个808nm单管半导体激光器输出功率低,采用端面泵浦方式对光纤激光器进行泵浦时受到限制的问题,本文利用空间合束技术制成高亮度半导体激光器光纤耦合模块来提高808nm单管半导体激光器泵浦掺Nd3+双包层光纤激光器的效率。首先,通过微透镜对每个单管半导体激光器进行快慢轴准直;然后,使用反射棱镜对每个激光器发出的光进行空间合束;最后,利用自行设计的扩束系统将合束后的光束进行扩束,聚焦进入光纤,从而极大地提高光纤耦合模块的亮度。实验中将4只连续输出功率为5W的单管半导体激光器发出的光束耦合进芯径为105μm、数值孔径(NA)为0.2的光纤,当工作电流为5.8A时,通过光纤输出的功率为15.22W,耦合效率达到74%,亮度超过1.4MW/cm2.sr。     

光泵甲酸分子远红外激光研究

用波长为10.6μm的连续CO2激光对HCOOH分子进行泵浦产生了743μm的远红外激光。对泵浦源的设计进行了理论分析和实验研究。测定了远红外激光的输出功率、偏振方向和泵浦效率,且输出为高斯光束,输出功率为7.3mW,泵浦效率为3.6×10-4,并对远红外激光输出的稳定性及泵浦效率进行了分析。     

全光纤激光器光束质量的优化

基于激光器的结构,实验研究了影响光束质量的因素。搭建了百瓦级全光纤激光器,在最大泵浦功率为436 W的条件下,在1 080 nm处获得的激光输出为300 W,光-光转换效率为69%,光束质量M²为1.13。实验研究了谐振腔出射的激光光束在传能光纤中传输时径向功率分布的变化,结果显示：随着光束在光纤中传输距离的增加,光纤中的包层光功率呈现出先增加后保持不变的趋势,因而在传输距离上选择不同的长度对包层光进行剥除,可以获得不同的光束质量。实验还显示,在相同的泵浦条件下,与包层光剥离器设置在腔外相比,其设置在谐振腔内可获得更高的激光输出功率,但是光束质量较差。最后,采用在腔内腔外各加一个包层光剥离器的方法获得了更好的光束质量,此时M²为1.07。     

激光加工用半导体激光器的光束变换

考虑不同的激光加工方式对激光功率密度和激光光斑尺寸的要求不同,研究了如何通过调整光路设计实现各种尺寸的聚焦光斑输出,使半导体激光器满足不同激光加工方式的需求.利用ZEMAX光学设计软件模拟半导体激光光路,包括光束整形、准直、聚焦等光束变换方式,实现了多种尺寸的光斑输出.实验中采用16个bar叠加而成的980 nm半导体激光叠阵,阈值电流为6.4A,最大工作电流为84.8A,最大输出功率为1 280 W,总的电-光转换效率为58.9％.准直后快轴的发散角小于4 mrad,慢轴的发散角小于20 mrad.通过实验对该激光叠阵进行光束整形和扩束准直、聚焦,最终实现了功率为1 031 W的激光输出,聚焦镜焦距为300 mm时的聚焦光斑尺寸达1.2 mm×1.5 mm,功率密度达3.8×104 W/cm2,可以用于金属的表面重熔、合金化、熔覆和热导型焊接.     

高功率全光纤侧面抽运耦合器研究进展

本文回顾了高功率全光纤侧面抽运耦合器的研究进展,重点介绍了拉锥-熔合法制作的侧面抽运耦合器的基本原理、研究现状、面临挑战及解决方案。该方案可实现千瓦量级高抽运耦合效率高信号光通过率抽运/信号耦合器的制备,是高功率全光纤侧面抽运耦合器的主流方案。结合已报道的理论和实验结果,总结了该方案在制作工艺、损耗机理、性能提升等方面面临的挑战,提出了将侧面抽运耦合器引入级联抽运光纤激光器的方案,并将一种(2+1)×1侧面抽运耦合器成功应用于2.5kW输出的级联抽运掺镱光纤激光器中。结果表明,相比LD抽运,在级联抽运中,高亮度光纤激光作为抽运光源使耦合器在保证高抽运耦合效率的同时具有更高的功率承载能力。     

Temperature measurements in the core of active optical fibers under lasing conditions

A procedure for measuring the temperature in the core of an active fiber at a high-power optical pumping is described. The procedure is based on using a cavity of the optical fiber laser as one of the arms of the Mach-Zehnder interferometer with subsequent spectral filtering of the probe light. The pronounced nonlinearity of the phase dependence on the absorbed pump power has been detected. This nonlinearity can be attributed to different heating regimes of the active fiber before and after the lasing threshold.