“smile”对一维分布光源相干合束的影响

利用傅立叶方法导出的相下光束合成的远场表达式,讨论了一维锁相二极管激光列阵的相干合成远场.对发光单元数目分别为5、9、19列阵的同相模的远场光强分布进行了计算.以19个发光单元线阵为例,讨论了存在"smile"时DLA的远场特征,研究表明:"smile"对已经具有相干性的多光束合成场远场光强的分布并无严重的影响.     

光纤激光阵列相干合束的研究

相干合束是获得高功率、高光束质量激光的一种重要方法。为了分析光纤激光合束的特点,通过对相干合束不同传输距离光强分布特点的模拟对比,研究了光纤激光阵列结构、相位随机抖动、光纤间距、传输距离等因素对相干合成的影响,分析了相干合成时桶中功率随传输距离的变化。结果表明,相干合成时,不同光纤激光阵列结构在传输距离较近位置光强分布差别很大;随着传输距离增加,光强分布基本都接近高斯分布;轴上点光强分布极大值个数和阵列结构环数紧密联系;各光束之间的随机相位差越小,相干合成效果越好。这些结果对光纤激光相干和束的实验研究有一定的参考价值。     

光纤激光器空间相干合束远场特性分析

基于Fraunhofer标量衍射理论,计算了按圆周形排列的6束光纤激光相干合束的远场光强分布,并对其能量集中程度进行了讨论。分析表明合成光束的远场光强分布可等效于若干平面波干涉结果与单束衍射包络之积,当单元激光器所排列的圆周直径在5倍单元激光束腰宽度以下的时候,合成光束将有超过90%的能量落在单元光束的86.5%能量圆以内。结论指出适当选择单元激光器的排列间距可以控制能量的集中程度,甚至使合成光束的能量集中度优于原单元激光器产生的高斯光束。     

畸变光束远场光强叠加特性研究

在远场将阵列激光的光强进行叠加是获取高功率激光输出的一种有效方法,由于激光在传输过程中会产生波前相位畸变,进而导致远场光强分布不匀滑。基于惠更斯-菲涅耳原理,建立了多束具有随机相位畸变的二维矩形阵列高斯光束非相干合成模型。模拟了光强合成过程远场焦斑的质量变化,计算了远场焦斑RMS和PSD与合成光束数量之间的关系。结果表明:光束非相干合成不仅能够有效提高激光的输出功率,还可以使畸变光束合成后的焦斑分布更加匀滑,提高光束的质量。     

中心波长及脉宽对能量叠加光束远场的影响

多束激光的远场叠加对于提高远场靶面能量是一种有效的方法,单元光束的参数的变化对于远场合成光束都会产生影响。为了分析脉冲激光参数控制对远场能量分布的影响,利用夫琅禾费衍射积分公式导出了4束普通脉冲高斯光束合成的远场光强的解析式,并整理了激光中心波长和脉宽的改变对远场叠加后能量分布的影响之间的具体关系。通过MATLAB的数值模拟,结果表明:当光束的中心波长减小或者脉冲宽度减小时,远场能量向中心轴上汇聚,远场轴上光强增加。当轴上光强相对于理想中心波长和脉宽的远场轴上光强的变化率小于5%,中心波长变化率最大不能超过7.89%,或者脉宽变化率最大不能超过91%,因此,中心波长的变化对于远场光强分布的影响比脉宽更大。     

二极管激光光谱合束技术实验研究

为了研究基于光栅-外腔的二极管激光阵列光谱合束,利用存在离轴像差情况下耦合效率模型,数值模拟了系统各参量对耦合效率的影响,可知耦合效率随着离轴距离和横模阶次增加而下降;单个单元将被压窄至0.05nm。应用光栅-外腔实现了单条二极管激光阵列光谱合束,获得了10.1W的连续输出,斜效率为0.45W/A,慢轴方向光束质量因子Mx2=17.6,整个阵列的光谱被展宽到15nm,单个单元的线宽被压窄到0.1nm。结果表明,光谱合束能改善二极管激光阵列的光束质量,压窄单个单元的线宽。     

激光时空特性对双光束相干合成影响分析

从标量衍射理论出发,分析了相干合成光束远场光强的分布特性,并以两路单元激光为例讨论了激光输出时空特性参数初相位、波前、偏振等特性对相干合成远场光强分布的影响,阐明了相干合成的高功率固体激光器必须采用同一个单频窄线宽种子源分束放大技术的原因,并结合高功率固体激光器实际结构特点与可采取的技术手段,提出光路差、光强比、偏振度...     

半导体激光器相干合束技术（特邀）

大功率高光束质量半导体激光器在激光加工、激光通信、科学研究等方面有着广泛的应用,提高半导体激光器的功率和光束质量一直都是国际的研究前沿和学科热点。合束技术是提高半导体激光器输出功率最简单有效的方法。非相干合束技术提高输出功率往往以损失空间、偏振或光谱特性为代价,在对光束特性要求不高的场合应用较为成熟。相干合束技术在提高半导体激光器输出功率的同时还能提高光束质量、压窄频谱宽度,是高亮度窄线宽半导体激光技术发展的重要方向。本文简述了相干合束技术的原理及要求,从锁相技术出发,综述了半导体激光器相干合束技术近年来的发展现状,总结了主动锁相和被动锁相的优缺点,主动锁相技术采用主振荡放大结构通过相位负反馈技术实现锁相,在合束单元数量上具有优势,能获得大功率相干输出,但结构较为复杂。被动锁相技术结构简单,一般通过外腔的衍射效应或者共腔技术实现单元间的相位锁定,具备自组织锁相特点,但不易获得高功率输出。最后对半导体激光器相干合束技术的未来发展进行了展望。     

线阵光纤阵列相干合成光束的远场光功率分布

激光相干合成所得光束的远场能量分布直接影响其实际应用。针对基于四芯线阵光纤阵列的激光相干合成研究了远场能量分布。采用高斯分布函数近似描述单模光纤出射光束能量分布,推导合成光束的远场能量分布的一般表达式,用MATLAB进行数值计算,并搭建实际相干合成系统进行测试以验证计算结果。研究结果表明:四芯线性光纤阵列的相干合成光束能量近似高斯分布,横向截面内表现为两两组合所形成的三种周期六种干涉场的叠加。实验结果与理论计算吻合,研究对光纤阵列相干合成光束的远场应用具有指导意义。     

阵列光束的偏振方向对其相干合成远场光强分布的影响

理论推导了线偏振光纤激光器阵列相干合成远场光强分布的表达式,详细研究了激光器的偏振方向对相干合成远场图样分布、中心主瓣的角宽度以及相干合成远场条纹可见度的影响.阵列光束偏振方向的不一致会使相干合成远场光强的峰值功率下降,中心主瓣的宽度增加,远场光强分布有本底漂移,远场条纹可见度下降.     

阵列光束在湍流大气中传输的光强闪烁研究进展

相比单束光,阵列光束由于各光束之间互不相干,可以减小大气湍流引起的接收光强起伏。特别在激光照明和通信等应用场合中,非相干合成光束可以明显提高照明均匀性和减小通信误码率。简要介绍了相干合成阵列光束在湍流大气中传输的光强闪烁研究进展。针对非相干合成阵列光束在减小光强闪烁的优势,回顾了非相干合成阵列光束在激光主动照明、星地激光大气通信方面的实验研究结果;详细总结了子光束为不同类型的非相干合成阵列光束的理论研究方法和结果,包括不同波长光、基模高斯光、部分相干高斯光和艾里光。实际中子光束一般为部分相干光,它们互相之间存在相干性。提出了下一步应深入开展研究的问题为阵列光束大气的光强闪烁。     

角锥腔固体激光器相干特性的研究

多光束相干合成是获得高功率、高亮度激光输出的有效途径。首次采用倏逝波理论结合互注入特性揭示了角锥腔固体激光器远场输出为相干合成分布的机理,角锥腔对称部分的激光由于互注入实现锁相,相邻部分由于倏逝波耦合实现锁相,重点研究了固体激光器倏逝波耦合相干的特性。研究表明:锁相效果跟激光阵列排布方式有关,在相同的激光阵列排布方式时,腔长越长,占空比越大,则模式间耦合越强,锁相效果越好,越趋向于同相模输出。理论和实验证明了角锥是一个天然的相干合成元件,角锥多光束相干合成技术具有重要的科学价值。     

β因子用于被动相干组束系统光束质量评价的探讨

利用二维4路光纤激光环形腔被动锁相相干组束实验平台,对被动相干组束系统的光束质量进行了研究。以衍射极限倍数β因子作为光束质量的评价方法,理论分析了光束占空比以及不同锁相模式对β因子的影响,实验测量了对应不同输出功率水平的β因子。结果表明,虽然β因子可以在一定程度上反映出不同实验条件下光束质量的差异,但是由于β因子的测量核心是确定出焦平面处83.8%环围能量(功率)比的桶尺寸,不能反映相干组束远场光斑的特点,不适合用于评价被动相干组束系统的光束质量。比较分析了β因子与光束质量,光束质量能更好地反映出相干组束的特点。     

窄光谱高亮度半导体激光器光栅-外腔光谱合束实验研究

光栅-外腔光谱合束是基于光栅的波长选择特性和外腔的反馈,使得半导体激光阵列(DLA)中的每个发光单元锁定在不同的波长,并保持每个发光单元输出光束在近场和远场重合,实现光谱合束后输出光束质量与单个发光单元的光束质量保持一致,极大地改善了输出光束的光束质量。实验采用发光单元宽度为100μm、周期为500μm,由19个发光单元组成的常规CM-Bar条进行光栅-外腔光谱合束技术实验,在连续运行最大注入电流为70 A,获得了44.9 W的连续激光输出,快慢轴的光束质量分别为1.52 mm·mrad和5 mm·mrad,合束后的电光转换效率为36%,输出光斑亮度约为36.92 MW/cm2-str,光谱展宽为3.24 nm,合成输出激光可以被耦合进入50μm芯径、数值孔径(NA)0.22的光纤中,作为高亮度激光抽运源或直接半导体激光光源使用。     

一维相干阵半导体激光光束远场特性研究

研究了一维相干阵半导体激光器在远场的光束传输特性.通过建立数学物理模型,模拟计算了一维相干阵激光器的激光光束在远场的光强分布,分析了阵列长度、波长和占空比对不同距离处相干阵远场快慢轴方向光斑宽度的影响.研究表明,受一维相干阵半导体激光慢轴方向子光源相干作用的影响,在远场,相干阵半导体激光器的慢轴方向光斑宽度与快轴方向宽度相比,相差约4个数量级,激光光斑呈现"刀片"状分布.     

多孔径接收相干合束系统性能研究

为了减小大气湍流引起的星地激光通信系统的性能衰落,采用基于光纤相干合束的多孔径接收方案。针对典型的星地相干激光通信模型,给出了通信系统的灵敏度和误码率随多孔径接收对湍流效应的补偿效果变化的数值仿真结果。同时基于已有的光纤合束方法搭建了一套4孔径接收的相干合束光通信接收装置,测试了2个和4个孔径下系统的锁相带宽。利用旋转相位屏模拟了不同Greenwood频率的大气湍流对光束波前的影响,保证了各路接收光强的不相干性。在此基础上,给出了相干合束前后光纤中的光强相对起伏方差。结果表明该系统能在弱湍流环境中有效地抑制光强闪烁。     

紧凑型光谱组束系统中光纤阵列扰动对光束质量的影响分析

定量分析光纤阵列位移及指向扰动偏差对合束激光光束质量因子M²的影响规律是实现合束激光光束质量有效控制的前提。根据衍射积分推导了紧凑型光谱组束系统中光纤阵列存在不同位移、指向扰动时合束激光的远场光强分布,利用Heisenberg不确定性原理推导出了合束激光光束质量因子M²的表达式。在恒定的子束数目下,分析了单路/多路光束分别存在位移、指向扰动偏差时合束激光光束质量因子M²的变化情况,并在一定的随机位移、指向扰动偏差下对不同子束数量的合束激光的光束质量因子M²进行了误差分析。结果显示：合束激光光束质量因子M²对沿光纤端面水平(x轴)方向的扰动量最为敏感,需要控制在微米量级;确定了光纤阵列的不同扰动量与合束激光光束质量因子M²之间的定量关系,给出了光纤阵列位移、指向精度控制要求;当参与合束的子束数量超过23束时,在特定的随机扰动量下,合束激光的光束质量因子M²的统计均值分别趋向各自的稳定值1.37、1.34、1.25,而标准差分别趋于0.0...     

大功率半导体激光阵列远场光强分布研究

针对Bar和Stack两种类型激光器,运用双峰模型,对各个发光单元的光强进行非相干叠加,得出Bar和Stack两种激光器的远场光强模型,并根据此模型模拟出Bar和Stack的远场光强分布。分别定量描述了Bar和Stack光强分布均匀的区域以及开始出现类似单发光单元的双峰分布的位置,并给出了相应的经验计算公式。利用这些公式以及器件数据手册给出的参数即可方便的计算出Bar和Stack的均匀区域以及出现类似单发光单元的双峰分布的位置。理论分析与实验结果基本吻合。可为Bar和Stack在实际应用中设计光学系统以及光束质量评价提供理论依据。     

二极管激光阵列Talbot外腔锁相机理的实验研究

研究了二极管激光器阵列(DLA)独立单元的Talbot外腔锁相和多个单元的Talbot外腔锁相,验证了在大电流情况下单元内部可以实现Talbot外腔锁相,远场图样显示为高阶横模的锁定.多个单元的Talbot外腔锁相实验表明,随着发光单元个数的增加,DLA趋向于局部锁相.     

基于相位调制的激光多元相干阵列的远场光强分布研究

根据Fraunhofer衍射理论,建立了基于相位调制的二维M×N激光相干阵列的远场光强分布理论模型。结合应用实际,对5×5激光相干阵列的远场光强分布进行数值模拟,分析了不同调制相位对远场光强分布的影响。结果表明,远场光强分布的主极大(小)的位置随调制相位变化,相对强度也随之变化;不同阵列结构,光强分布不同,每列(行)相邻两阵元上加载的相位差为π时,出现较多的主极大和次极大且对称分布。这些结果可为应用相位调制去控制远场光强分布提供有益的参考。