高效大功率激光二极管阵列端面抽运耦合系统

利用光线追迹法为12 kW激光二极管(LD)阵列抽运的Yb∶YAG激光器设计了一套空心导管型耦合系统并开展了耦合实验, 以研究大功率LD阵列端面抽运结构的高效耦合技术及模拟设计方法.基于LD结构和发光特性,以高斯型微激射元为基本单位建立单条LD和LD阵列光源模型,设计了由透镜和镀银板构成的抽运光汇聚传输系统.实验结果表明,该耦合系统实现了对抽运光的高效耦合,且强度分布与模拟结果一致.该耦合系统传输损耗低,反射板的反射率为94%时耦合效率达92.3%;输出光束具有良好的传输性能,有效抽运区域接近理论值,且增益介质表面分布均匀,满足实验要求.     

LD阵列封装误差对空心导管均匀性的影响

为了提高空心导管激光二极管(LD)抽运耦合系统的性能,采用理论分析和ZEMAX仿真模拟的方法研究了LD阵列封装误差对空心导管抽运耦合系统均匀性的影响.研究发现,当LD阵列中子光束经过空心导管后分割和叠加次数越多时,光束指向误差对空心导管的均匀性影响越小.在此基础上提出了空心导管LD抽运耦合系统的设计中对LD阵列光束准直的原则.结果表明,根据实际情况决定LD阵列中快慢轴方向准直后发散角的大小,以保证快慢轴方向的光束经过空心导管后能够有适当的反射和叠加次数,从而实现较高的耦合效率和抗LD阵列封装误差影响的能力.该研究可用于指导该类空心导管LD抽运耦合系统的设计.     

大口径激光二极管阵列端面抽运耦合系统设计模拟

根据光线追迹原理,研究用于端面抽运的大面阵激光二极管(LD)抽运源的耦合系统设计。结合当前大口径激光二极管阵列常用的空心导管型耦合系统,分别从耦合效率、抽运强度分布、抽运光传输等方面,讨论大口径激光二极管阵列耦合系统的一般设计准则,提出了将激光二极管阵列单元平面排布改为球面排布的办法。针对100 kW激光二极管阵列,将子阵列作球面排布后,仅用一空心导管来汇聚抽运光,这种设计获得了传输性能优良的大区域均匀分布的抽运场,抽运场起伏小于5%,抽运强度大于20 kW/cm2,耦合效率98%,有效抽运区域内效率达90%。     

激光二极管阵列侧面对称抽运薄片激光器

对激光二极管(LD)阵列5向侧面对称抽运Nd∶YAG薄片激光器进行了实验和模拟研究。薄片激光器的耦合系统由消像差透镜组和空心光波导组成,采用15mm×1.5mm的Nd∶YAG薄片进行初步实验,实验得到薄片激光器的激光输出平均功率为65.7W,光-光转换效率为10.5%,同时增益介质内具有较理想的荧光分布。同时考虑激光二极管在快轴和慢轴方向的发散特性及增益介质侧面的散射特性,采用光线追迹法,模拟并分析了增益介质内抽运光分布,模拟结果表明耦合系统具有88.3%的耦合效率,同时增益介质内具有较理想的抽运光分布,且与实验结果相吻合。     

端面抽运板条放大器抽运均匀性和热效应模拟

为了使激光二极管抽运的全固态激光器能够得到高光束质量、高功率的激光输出,对激光介质的温度分布和热透镜效应的研究很重要。利用ZEMAX软件的非序列模块,根据光束追迹的方法模拟了端面抽运结构下,高功率二极管抽运激光放大器的抽运光在增益介质中的光场分布情况。结果表明,此抽运方式下光场分布均匀。将激光介质中吸收的抽运光体功率密度分布结果代入LAS-CAD软件,计算出在种子光未注入和注入情况下,抽运功率为2400W时,增益介质最大温差分别为68℃,54.7℃以及最大热应力分别为90N/mm2,67N/mm2,因此当抽运功率小于2400W,运转的全过程对于激光增益介质是没有威胁的。该模拟结果对于高功率二极管抽运板条激光放大器的设计具有一定参考价值。     

微柱阵列和两种透镜导管耦合系统的三维光线追迹与设计

微柱阵列和透镜导管组成的耦合系统在激光二极管阵列(LDA)抽运的全固态高能量激光器中起着重要的作用,其光束耦合性能直接影响激光器的最终输出能量和光束质量。为了设计微柱阵列和透镜导管耦合系统的最佳结构参数,需要研究抽运光在耦合系统内部以及在激光晶体端面的分布。利用几何光学理论,对LDA的发射光线经微柱阵列和透镜导管的传输进行三维空间追迹,并计算其能量传输效率和光束整形效果。比较了六面体导管和渐细圆台形导管的耦合性能。仿真分析结果表明,六面体导管需要长度较大,能量传输效率略高,而圆台形导管可以较短,耦合整形后的光斑更接近圆形。     

复眼透镜在激光二极管阵列光束整形中的应用

在回顾复眼透镜对单光束光源的均匀化机制基础上,分析了复眼透镜对激光二极管(LD)阵列光源的光束均匀化机制。即对子光束分割叠加破坏相似性,对所有分割叠加后的子光斑进行叠加获得均匀性。在此基础上,以抽运薄片或者板条激光器需要高功率密度的均匀抽运光为需求,设计了基于复眼透镜的LD阵列光束整形系统,并给出了其中复眼透镜和积分透镜这两个关键部件的结构形式和相关参数。最后根据所设计的复眼透镜LD光束整形系统搭建了相应的实验光路并测试了整形后光斑不均匀性,测试表明不均匀性为9.8%,验证了对复眼透镜LD阵列光束整形的分析。     

全固化激光器中的耦合系统—透镜导管的简化设计

用几何光学的方法计算了竭地管的慢轴和快轴方法的光束分布，结果表明，用于固体激光器泵浦的高功率激光二极管阵列的连续分布的激光束通过透镜导后可以获得平滑面均匀的光场分布，基于这种分布，我们设计了两种结构的透镜导管，用激光二极管阵列实验测得未镀抗反膜的透镜导管的耦合效率高达８４％。     

端面抽运声光调Q DPL实现重复频率10kHz,峰值功率220kW的脉冲输出

端面抽运的激光二极管抽运固体激光器 (DPL)具有结构简单、体积小、易于实用化等优点。但是高功率端面抽运DPL由于热效应过于集中 ,热透镜焦距非常小 ,往往导致谐振腔的严重不稳。同时较强的热应力还会导致激光介质破损和介质镀膜层的损坏。因此很难实现高重复频率、高峰值功率的调Q脉冲输出。本文采用多项关键技术获得重频 10kHz,峰值功率 2 2 0kW激光输出 ,这些技术包括 :通过非成像耦合系统调整抽运光的空间分布 ,见图 1,使得抽运光尽可能呈均匀的截面分布 ;将Nd∶YAG晶体的抽运端面设计成凹面结构 ,以抵消部分热透镜的作用 ,见图 …     

V型槽侧面抽运的光学耦合模型的研究

V型槽侧面耦合是目前双包层光纤抽运光耦合的方法之一。本文提出了一种二透镜光学系统的耦合模型，并利用几何光学的ABCD矩阵分析和计算了透镜焦距与激光二极管阵列（LD—Arrays），透镜，双包层光纤（DCF）三者之间间距的关系，同时通过计算确定了V型槽所开的最佳角度。通过数值模拟计算发现透镜焦距的选取在很小范围内会引起两透镜间距的剧烈变化而且激光二极管与透镜的间距以及两透镜间的间距主要取决于靠近激光二极管那个透镜的焦距大小。本文的分析和计算对V型槽侧面抽运的光学耦合系统中透镜焦距的选取以及LD，透镜，DCF三者之间间距的设置的最优化提供了理论指导。     

Spherical distribution structure of the semiconductor laser diode stack for pumping

A semiconductor laser diode stack is used for pumping and 8 semiconductor laser diode arrays of the stack are put on a sphere,and the output of every bar is specially off-axis compressed to realize high coupling efficiency.The output beam of this semiconductor laser diode stack is shaped by a hollow duct to the laser active medium.The efficiency of the hollow light pipe,which is used for semiconductor laser diode stack coupling,is analyzed by geometric optics and ray tracing.Geometric optics analysis diagnoses the reasons for coupling loss and guides the design of the structure.Ray tracing analyzes the relation between the structural parameters and the output characteristics of this pumping system,and guides parameter optimization.Simulation and analysis results show that putting the semiconductor laser diode arrays on a spherical surface can increase coupling efficiency, reduce the optimum duct length and improve the output energy field distribution.     

球面分布的半导体激光二极管阵列泵浦结构的研究

一个用来泵浦的半导体激光二极管堆栈包括8个半导体激光二极管阵列。这些阵列排布在一个球面上,每个bar条的输出激光被离轴压缩来实现高效率的耦合。半导体激光二极管堆栈的输出光束由一个空心导光管耦合到激光工作介质上。针对用于耦合半导体激光二极管堆栈的空心导光管进行了几何光学和光线追迹的分析。几何光学的分析揭示了耦合损耗的原因,并用来指导结构的设计。光线追迹分析结构参数和泵浦系统的输出特性,用来指导耦合系统参数的优化。模拟和分析结果表明,将半导体激光二极管阵列排布程球面可以提高偶和效率,降低最优化的导光管长度,改善输出能量场的分布。     

机载测深激光雷达千赫兹全固态激光器设计及特性研究

将千赫兹高功率全固态Nd：YAG激光器的增益介质当作厚透镜处理，使用矩阵的方法对等效热透镜腔进行分析。采用多条半导体激光列阵侧向紧凑抽运结构设计，提高了增益介质光抽运的均匀性。根据实际抽运功率，通过模拟计算，设计了平凸非稳腔。选择的凸面全反镜的最佳曲率半径有效地补偿了增益介质热透镜效应，激光器实现了动态稳腔运转，激光脉冲能量输出斜度效率大于13％，光束发散角优于1.3mrad。     

热畸变对单板条热容激光器输出的影响

开展了激光二极管(LD)抽运的全固态热容激光器的理论与实验研究,数值模拟了在热容工作条件下侧面抽运的Nd∶YAG板条激光器的热透镜效应,分析了热透镜效应对激光输出的影响,并进行了相应的实验论证。实验中采用的晶体尺寸为57mm×40mm×4mm,激光二极管阵列的抽运峰值功率为12kW,重复频率为1kHz,占空比为20%,为了获得较高的增益,将抽运光通过光学系统进行聚焦,抽运光在晶体侧面的光斑大小为15mm×57mm.实验中观察了1s内的脉冲能量输出的波动情况,在开始工作的时候单脉冲能量输出为1J,在1s后单脉冲能量输出下降到开始的50%。     

激光二极管与单模保偏光纤的耦合研究

给出了一种处理激光二极管经透镜与单模保偏光纤耦合的精确方法,测量了半导体激光器的光束质量,对其光束的收集、准直、整形、聚焦和耦合进入光纤进行了实验研究,同时测量了整形系统和光纤的定位灵敏度.对球面微透镜光纤与激光二极管耦合的方法进行了理论分析,讨论了透镜参数、耦合形式、激光二极管波像散对耦合效率和特性的影响,给出了2种实际耦合系统的实验计算结果,并与理论计算作了比较,结合实验得到了微透镜的优化参数,且将结果应用到了激光二极管与单模保偏光纤耦合实验中,得到了总的耦合效率为36%.     

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%。