2.79μm Cr,Er∶YSGG激光光纤耦合的实验探究

采用传能光纤替代导光臂传输激光能量能够极大地改善医用手柄的灵活性、降低系统复杂程度、提高激光传输效率.设计研制了2.79 μm Er,Cr∶ YSGG激光器及其光纤耦合系统.分析了激光器谐振腔输出镜对输出高斯光束参数的影响,设计弯月型透镜作为激光器谐振腔输出镜减小激光光束发散角,并选择合适的耦合单透镜,满足了数值孔径为0.29、芯径为400 μm的ZBLAN玻璃光纤耦合条件.实验结果表明,在弯月型透镜作为激光输出镜,耦合透镜焦距为20 mm时,可实现激光传输耦合效率高达83％,最大传输功率6W,满足了激光医疗仪器的临床应用需求.     

可调谐DBR激光器波长锁定光路系统模拟设计

利用ZEMAX软件设计了一套应用于可调谐DBR激光器输波长锁定的光路系统,该系统包括非球面镜、分光镜、法布里-珀罗标准具和消色差双胶合透镜。借助软件中的镀膜模块设计法布里-珀罗标准具的内部结构并表征其透射谱线,通过多重结构模块构建分光系统,然后使用偏振分析模块计算系统总耦合效率和两分支的分光比。优化设计后的光路系统可应用于C波段可调谐DBR激光器20个信道的波长锁定。     

单镜头激光三角法薄板厚度测量研究

为了精确测量薄板类材料的厚度,分析了双光路激光三角法测厚原理,建立了一种单镜头激光三角法厚度测量系统.该系统以半导体激光器为光源,配以单镜头成像系统、图像采集与数据处理系统.描述了系统的检测原理、检测方法和实验装置,讨论了激光器光束轴心线与成像透镜光轴夹角与系统分辨率的关系,并基于最小二乘法拟合得出了光斑距离与被测物厚度的函数关系式,最后通过标定实验对系统精度进行了实验论证.结果表明,该系统消除了双光路激光三角法上下测量系统难以同步的问题,分辨率高,精度控制在10m,良好地满足了工业测量的需求.     

双端输出光纤激光器互注入锁相研究

为了获得高功率、高光束质量相干光纤激光输出,设计了一种双端输出的光纤激光器。两路光纤激光器尾端通过反射率为85%的光纤布拉格光栅连接,有一定的相互关联,利用角锥反射器使其能量相互注入,实现锁相,并利用偏振片分光,实现相干合成输出。实验上,在远场得到了清晰稳定的干涉条纹(可见度约为0.92),获得了8.6 W的相干合成激光输出,对应的功率合成效率约为90%。实验结果表明,该方案结构简单,稳定性好,相干度高,并可用于多路激光相干合成,为实现高功率光纤激光相干合成输出提供了一种新的思路。     

单模光纤章动跟踪耦合系统设计

在光纤激光通信系统中,为了克服准误差、随机角抖动误差、大气湍流像差对单模光纤耦合效率的影响,本文设计了单模光纤章动跟踪耦合系统。首先基于模场匹配原理,分析了径向偏差和光斑大小对耦合效率的影响。其次在理论分析的基础上,对激光章动跟踪系统进行了设计,主要包括激光器、准直镜、快速反射镜、耦合透镜以及光电探测器,并以光电探测器的能量反馈完成了激光章动跟踪算法设计。最后搭建了实验平台,对系统进行了实验测试。通过实验测试得到,在激光章动跟踪时单模光纤的耦合效率为53.5%,并测试了径向偏差以及光斑大小对耦合效率的影响,得到了相应的曲线。耦合效率满足系统要求,并且实验测试曲线与理论分析的仿真曲线基本一致。     

用于眼科学的新型激光装置

激光装置的结构与性能装置根据以下考虑设计:1)当用于多种眼病疗法所需较低脉冲能量时,最好具有短脉冲激光;2)用于视觉治疗的激光波长是在450～600nm附近;3)为了治疗安全起见,必需防止任何不正常的激光触发脉冲。为了满足这些要求,设计了一种组合装置,把由闪光灯泵浦以590nm波长工作的染料激光器与光耦合系统及电路系统组合起来     

近红外荧光扫描用共聚焦光学系统设计

为了实现近红外荧光的高分辨率扫描,设计了用于近红外荧光扫描的激光共聚焦光学系统。采用复消色差显微物镜结构设计了物镜,采用凹凸双透镜结构设计了点光源光路和照明光路,采用柯克物镜结构设计了发射光路,并采用ZEMAX软件进行了光学设计和仿真。实验表明：物镜的数值孔径为0.42;点光源光路的焦点弥散斑小于0.2 μm,将圆形光斑激光很好地转换成了点光源,其离焦弥散斑的直径小于40 μm,满足照明针孔的尺寸要求;照明光路的焦点弥散斑小于1 μm,且焦点弥散斑的能量在2 μm范围内超过了83%,因此焦点光斑的能量集中度很高;发射光路的离焦弥散斑的直径小于100 μm,满足照明针孔的尺寸要求;同时照明光路和发射光路都具有较高的光学传输效率。该激光共聚焦光学系统具有数值孔径较大、工作于近红外光谱区、分辨率高的优点。     

神光-Ⅱ激光装置高精度时间同步时标系统

在使用高功率激光装置进行物理实验时,高精度时间同步的时标系统是实现物理过程精确诊断的必要条件。为了满足物理实验需求,该系统采用任意波形发生器输出信号时分复用结合高速电光调制的技术方案,同源产生了主激光、时标光、电时标和高精度触发信号等多路信号。时标系统共可输出532,355,266 nm三种波长共10路梳状时标光信号及8路梳状电时标信号、两路快前沿高幅值触发信号。时标信号与主激光时间同步抖动峰峰值达到12.80 ps,梳状时标光信号脉冲周期峰值抖动为6.40 ps,接近目前采用的测量系统极限。完成了时标系统在高功率激光装置中的应用演示,满足了诊断设备应用要求;对条纹相机不同扫程进行时间基准标定实验,可有效校准相机大扫程的时间误差。     

大功率固体激光器高效率光纤耦合

光束质量参数对大功率固体激光器光纤耦合系统的设计起着关键作用。大功率固体激光器输出的为多模激光束,引入等效基模光束来计算多模激光束的光束质量是一种有效的方法,并定义包含光斑能量98%的光斑半径为束宽,以此计算多模激光束的光束质量,是准确有效的。结合大功率固体激光器的光纤耦合原理和光束变换理论设计了高效耦合系统,并对系统内透镜的通光孔径及焦距等参量做了数值优化。实验证明,此光纤耦合系统能够进行大功率固体激光高效率耦合,成功地实现了输入功率为2000W时,耦合效率大于94%的激光输出,并给出了光纤耦合的效率曲线及分析。     

用于无线能量传输的高效率半导体激光器设计

激光无线能量传输在无人机、卫星空间站和探月机器人供电等方面具有潜在应用前景,其系统效率成为了其应用的关键瓶颈。为了提高激光无线能量传输系统发射端激光器的电光转换效率、接收端光斑均匀性和有效窗口收光比,提出了用于激光无线能量传输发射端的高效率半导体激光器设计方案。基于合束效率较高的空间合束设计了一套高功率高效率半导体激光系统,接收端光斑不均匀度可优化至0.207,有效窗口内收光比大于94%。搭建了千瓦级激光无线能量传输实验装置,发射端半导体激光系统直接输出矩形光斑,与矩形光电池匹配,提高了电池阵布片率。利用多光束指向性可调节特点,优化了接收端光斑均匀度,有利于提高接收端电池的转换效率及简化电源管理。该设计与研究为激光无线能量传输的实际应用提供了借鉴意义。     

500W光纤耦合半导体激光模块

针对半导体激光器在工业领域的应用和光纤耦合可以实现柔性传输的特点,设计了光纤耦合半导体激光模块。采用光束整形技术、空间合束、偏振合束和光纤耦合等技术,将两组共10个整形后的半导体标准阵列进行合束,扩束后耦合入芯径400m、数值孔径0.22的镀增透膜光纤。在工作电流70 A时,光纤耦合前功率为545 W,光纤耦合后功率为518 W,光纤耦合效率高于95%,得到很高的光纤耦合效率,电光转换效率为43%,为下一步千瓦级光纤耦合半导体激光器的制备奠定了基础。     

红外激光与微水束耦合对准工艺研究

红外激光与微水束耦合划切技术是激光划切应用的前沿领域,在硅晶圆、宝石、陶瓷等材料高精度切割方面具有优势,有效地减小了材料的热损伤和熔渣残留。红外激光束与微水束的耦合对准是研究的关键技术。为保证微水束光纤与激光光束耦合的效果,本文设计了高精度三维耦合对准调整结构,结构主要由准直聚焦光路系统、微孔CCD观测系统、二维微位移平台、耦合装置组成；研究了汇聚激光焦平面与微水束起始端(喷口元件)共面调整的关键工艺和激光光束与喷口元件对准的关键工艺；提出了借助屏幕十字线实现两次对准的工艺方法。经试验验证,微水束耦合激光长度稳定,质量良好,可实现对硅基衬底晶圆等材料的高效无损、高精密划切。     

窄脉宽高重频激光放大器实验研究

报道了采用一种紧凑型、低成本和角度复用的板条 多通放大器,并对窄脉宽高重复频率种子激光进行多通放大的实验研究。通过使用角度复用 多通结构,可以有效 使用增益介质,光在介质内不走重复路径,相对于走重复路径的偏振复用结构,可减少进入 主振荡器的反 馈,抑制寄生振荡。实验过程中,分别采用直通和内全反射两种入射方式对种子光进行放大 。注入脉宽 为2.5ns、重复频率20kHz、平均功率为0.5W的Nd:YAG/Cr⁴⁺:YAG被动调Q种子 光,采用内全反射方式进 行三通放大时,得到了3.2W的最大平均功率输出,表明内全反射方 式比直通型方式能更有效地实现光放大、减小热畸变、改善光束质量和提高输出功率。     

半导体激光器双波长光纤耦合模块的ZEMAX设计

为了发挥单管半导体激光器的优势,获得光纤耦合模块多波长、高功率、高亮度的光束输出,利用ZEMAX软件仿真模拟,设计了一种单管光纤耦合模块。此模块将32支输出波长分别为915 nm、975 nm,输出功率为15 W的单管半导体激光器,经过微透镜组快慢轴光束整形、空间合束、偏振合束、波长合束以及光束聚焦等一系列工艺后,耦合进芯径200 m、数值孔径0.22的光纤。模拟结果显示,光纤输出功率467.46 W,光纤前后耦合效率大于98.47%,总耦合效率高于97.39%,光功率密度高于12.86 MW/（cm2sr）,达到了泵浦激光器和功率型器件的性能要求。使用Solidworks软件设计了相应的底板结构,并结合ANSYS软件进行散热模拟分析,结果显示该模块散热性能良好,可行性较高。     

连续分振幅式高功率准分子激光角多路编码光路设计

在高功率准分子激光系统中,一般采用光学角多路技术来获得高能量窄脉冲输出。文中介绍了角多路技术原理,提出了一种采用矩形阵列和空间层叠光路结构的连续分振幅两次编码方式,并针对该实验室的XeCl高功率准分子激光系统进行了具体的编码光路设计,给出了设计实例。该方法具有编码结构紧凑,编码精度高,与光路准直、激光参数测量系统等兼容性好,便于加工制作和安装调节等优点,目前已在系统中应用,效果良好。     

高冲程薄片激光器抽运结构的设计

为了实现薄片激光器高吸收转换效率的目的,采用多次抽运吸收的方式,结合光斑离轴非对称反射抛物面和光斑对称分布非球面的抽运结构,提出了一种可以提高非球面光束分布占空比的高冲程抽运的新方法。设计了多种不同抽运冲程的结构,使用ZEMAX模拟验证了24冲程抽运时的光路分布和光斑位置图,通过比尔吸收定律理论计算了不同抽运冲程下薄片晶体对抽运光的吸收效率。结果表明,所设计的24冲程、36冲程、40冲程和80冲程的抽运结构,其中36冲程的吸收效率的性价比最高。该研究对高功率、高冲程、小体积的抽运结构设计具有指导作用。     

500W级半导体激光器光纤耦合输出模块设计

为实现亮度均匀、形状对称、高对称光束质量的高功率半导体激光输出,提出了一种基于mini-bar芯片的高功率光纤耦合系统设计方案,使用Zemax设计了一套针对200 m/NA0.22多模光纤的500 W级光纤耦合输出系统。设计使用反射镜-条纹镜系统实现单列叠层微通道封装芯片快轴方向光束的尺寸压缩,并结合偏振合束技术在不改变光束束参积的条件下将功率提高一倍,并使用慢轴扩束系统压缩慢轴方向发散角,最后采用非球面透镜耦合进目标光纤。在设计的基础上采用4列叠层微通道封装的叠阵（每列包含5个mini-bar芯片）进行了等效验证实验,在注入电流为37 A时得到稳定输出功率506 W的小型化模块,亮度达10.3 MW/（cm2sr）,电光效率为43.0%。设计和实验共同表明,该光纤耦合模块可实现500 W稳定功率输出,可广泛应用在光纤/固体激光泵浦及工业加工等领域。     

大模场双包层光纤熔接的功率对准技术研究

为了提高高功率光纤激光器中大模场双包层光纤的熔接质量,采用NUFERN 20/400μm双包层光纤搭建了光功率对准系统,对大模场双包层光纤中存在包层光以及纤芯中只有基模和存在高阶模时光纤径向偏移与耦合效率的关系进行了理论分析和实验验证。结果表明,大模场双包层光纤中包层光和纤芯中高阶模的存在使耦合效率对径向偏移变化的敏感度降低,滤除包层光和高阶模后耦合效率随光纤径向偏移量呈高斯型变化; 使用光功率对准系统搭建千瓦级双端抽运激光系统,最大输出功率约1170W,光光转换效率约73%,光束质量约1.22,实现了千瓦级准单模输出。光功率对准技术能够实现待熔光纤的精确对准,对高功率光纤激光器输出性能的提升有重要意义。     

基于偏振复用技术的激光二极管光纤耦合方法

光纤耦合输出的高功率激光二极管(LD)模块作为光纤激光器的抽运源已经得到了广泛应用。为了进一步提高光纤耦合激光二极管输出功率,提出了利用激光二极管输出光束的线偏振特性,采用偏振复用技术,将两只高功率激光二极管输出光束经准直、复合、聚焦的光纤耦合方法。利用光线追迹法,分析了圆柱透镜对激光二极管发散光束的准直特性,并讨论了柱透镜的安装距离对准直性能的影响。根据激光二极管和光纤的相关参数设计了聚焦透镜组。采用这种方法将两只输出波长为980 nm的高功率激光二极管输出光束耦合进数值孔径0.22,芯径100μm的多模光纤中,当工作电流为4.5 A时,光纤激光连续输出功率为6.36 W,耦合效率大于78%。     

用于激光内雕中的特殊构型谐振腔研究

要实现激光内雕，激光束必须具有数个纳秒量级窄脉宽、数十兆瓦高峰值功率，同时也要具有发散度恒定不变、大深径比的环状聚焦光束。因此，研究和设计了具有特殊构型谐振腔的电光调QNd：YAG激光器。特殊构型腔的关键部件是特殊输出耦合器，其中，镀全反膜层玻璃片的小孔孔径是关键参量。特殊输出耦合器保证了光子在腔内（小孔端口到全反镜之间的距离）往返一周必定逸出腔外，从而使输出光脉冲的宽度为确切的极小数值。