高能激光注入光纤导光锥耦合性能实验研究

提出了测试光纤导光锥耦合效率的试验方法,通过试验验证了光纤导光锥实现激光传导的可行性,同时在光纤入射角度为1°～5°、运动状态为静止及甩动的条件下,对光纤导光锥的耦合效率进行了实验研究。研究结果表明,光纤导光锥在入射角为1°～5°、光斑直径约为2mm时的激光耦合传输效率大于60%,入射光损伤耐受力低于100mJ。利用光纤导光锥实现高能激光的耦合导光,对于开展光电对抗内场仿真试验具有重要意义。     

高峰值功率脉冲激光的光纤传能特性

实验研究了光纤传输调Q Nd:YAG高功率脉冲激光特性,包括光纤的传输效率、输出光束特性、输出光斑能量分布以及激光诱导损伤特性.得出的主要结论为:光纤传输高峰值功率激光引起受激拉曼散射(SRS)和受激布里渊散射(SBS)的产生是导致传输效率下降的主要原因;光纤输出光束束腰位置为输出端面,发散角略大于入射角,光束质量下降,输出光束截面光斑能量分布"匀化":光纤的端面激光损伤限制了传输激光功率的提高,其主要损伤相貌分为一坑状损伤、熔融损伤和溅射损伤,实验得出光纤端面的激光零损伤概率阈值功率密度为3.85 GW/cm2.     

激光诱导光纤损伤可持续利用技术

研究了光纤损伤对光纤传能特性的影响.由小到大注入激光能量时,光纤端面偶尔会产生微弱火花并出现微小坑状损伤,但并不影响光纤的注入耦合效率.当光纤端面发生等离子闪光后出现了比较严重的灾难性损伤,光纤输出端激光能量明显下降.光纤端面损伤降低了激光注入耦合效率,从而导致光纤传输效率下降.建立光纤端面损伤理论模型,由于光纤端面损伤引起的注入激光能量损失与损伤面积的对应关系,当注入激光光斑能量为高斯分布时,注入激光能量损失率与损伤面积成负指数关系.实验结果还表明光纤端面损伤存在增长效应.通过实验研究和理论分析证明了提出的光纤损伤后仍可持续利用设想的可行性,它为高功率光纤传输系统设计,特别是单脉冲激光点火或起爆系统的设计提供了新的思路.     

光纤传能特性研究

为了获得光纤传输高功率脉冲激光的主要特性,对光纤传能进行了理论分析和实验研究.结论是:光纤宏观弯曲对传输效率有比较明显的影响:光纤的芯径、数值孔径(NA)、长度等指标对高功率激光传输效率有很大影响;当传输激光功率大于某个闽值后,光纤内产生的受激拉曼散射(SRS)和受激布里渊散射(SBS)影响激光能量输出;光纤的端面质量限制了传输激光功率的提高,根据ISO11254(光学元件表面激光诱导损伤的光学测试方法)得出光纤的激光零损伤概率阈值可以达到58.6J/cm2;光纤输出光束截面能量分布被匀化.     

石英光纤与空芯光纤损伤特性(对比)研究

高功率密度脉冲激光的光纤耦合性能一直制约着激光飞片起爆技术的工程化应用。针对106 W/cm2级功率密度脉冲激光在光纤中的耦合特性,设计了一套光纤对准夹具,用于开放光路下脉冲激光的光纤耦合。使用波长为1 064 nm,脉宽6 ns的调Q脉冲Nd:YAG激光,研究了其在大功率石英光纤和AgI/Ag空芯光纤中的能量传输效率和损伤阈值。结果显示:在焦点前后10 mm范围内,石英光纤的传输效率平均值为76.2%,AgI/Ag空芯光纤的传输效率平均值为61.8%;在焦点前2 mm处,测得石英光纤损伤阈值为22.3 mJ,AgI/Ag空芯光纤损伤阈值为29.4 mJ。通过对比结果可知,AgI/Ag空芯光纤拥有较高的损伤阈值,然而AgI/Ag空芯光纤的传输效率比石英光纤低约15%,其工程化应用潜力还有待进一步开发。     

窄脉冲高功率激光光纤耦合技术研究

研究了实心圆锥形光锥和光纤截面的各种曲面的几何成像原理,利用光锥会聚光能的作用降低会聚光功率密度,采用球面光纤头,扩大光纤接收光能的面积.使激光光束垂直于光锥大端入射,40～50%的激光直接射出小端,其余激光在光锥内发生一次全反射射出小端.光纤头球面贴近小端同轴放置,使进入光纤的光线入射角大于光纤的全反射临界角,从而实现窄脉冲高功率激光的光纤耦合. 文中对圆锥形光锥和光纤头球面的参数进行计算.由传输光束的截面和光纤纤芯尺寸选取小端直径,使它略小于光纤纤芯直径,根据光纤数值孔径确定光锥顶角和光纤球面曲率半径. 实验采用固体YAG高重复率电光调Q激光输出,平均功率30 W,光束直径Φ6 mm,光纤纤芯直径Φ0.6 mm,实心圆锥形光锥小端直径Φ0.4 mm,光锥顶角24°,材料折射率1.52,光纤耦合效率75%.(PG10)     

高功率大芯径光纤锥的特性研究

对高功率脉冲激光系统中光纤锥的结构、透过率及损伤阈值特性进行了理论研究和实验分析。研究结果表明：光纤锥的几何结构、数值孔径、熔接损耗等都会影响其透过率,通过合理设计光纤锥的几何尺寸,合理选择光纤数值孔径,有效降低熔接损耗,改进拉锥工艺等措施,可以提高光纤锥的透过率;光纤端面的杂质缺陷是造成光纤抗激光损伤能力下降的重要原因,通过改善光纤端面质量,可较大程度地提高光纤锥传输激光的能量。     

调Q Nd：YAG脉冲激光－光纤耦合与传输特性的研究

研究了调ＱＮｄ：ＹＡＧ脉冲激光－光纤耦合效率与传输特性，测量了激光损伤阈值，研究了入射激光束参数对激光损伤阈值和耦合效率的影响，在此基础上设计了耦合光学系统，对１０ｎｓ的激光脉冲，从光纤输出的激光脉冲的能量密度达１２Ｊ／ｃｍ￣２，对准静态Ｎｄ：ＹＡＧ（脉宽ｍｓ量级）脉冲激光，从光纤输出的激光脉冲的能量达３．５Ｊ可以满足激光刻字和激光焊接的要求。     

调QNd：YAGE脉冲激光：光纤耦合与传输特性的研究

研究了调ＱＮｄ：ＹＡＧ脉冲激光－光纤耦合效率与传输特性，测量了激光损伤阈值，研究了入射激光束参数对激光损伤阈值和耦合效率的影响，在此基础上设计了耦合光学系统，对１０ｎｓ的激光脉冲，从光纤输出的激光脉冲的能量密度达１２Ｊ／ｃｍ＾２，对准静态Ｎｄ：ＹＡＧ脉冲激光，从光纤输出的激光脉冲的能量达３．５Ｊ可以满足激光刻字和激光焊接的要求。     

Ge-Sb-Se硫系玻璃光纤的CO_2激光导能特性

制备了低杂质吸收的Ge_(20)Sb_(15)Se_(65)硫系玻璃并拉制了不同直径的光纤,进行了10.6μm CO_2激光导能实验。实验结果表明,制备的Ge20Sb15Se65硫系玻璃具有良好的抗析晶特性,在5~11μm波段透过率约为64%。在高功率CO_2激光作用下,Ge20Sb15Se65玻璃光纤端面会出现熔融损伤,原因在于光吸收产生的热堆积导致光纤端面温度快速升高。当光纤直径为800μm、长度为430mm、输入端功率为5267mW时,输出功率最大,为809mW,输出功率密度为161 W/cm~2,传输效率为16%,实验结果与理论计算结果基本相符。     

38CrMoAl材料表面污染物激光清洗技术

采用脉冲激光对38CrMoAl材质样件进行了激光清洗试验研究,通过显微镜、白光干涉仪、台阶仪、红外测温仪等分析方法,研究了38CrMoAl材料表面污染物的清洗阈值、损伤阈值、激光功率密度对清洗效果的影响规律。结果表明,当激光功率密度大于1.22 J/cm2时,样件表面污染物开始被有效清除,对应污染物的清洗阈值,当能量密度增加到3.11 J/cm2时,38CrMoAl基材开始出现损伤,对应基材的损伤阈值;当能量密度位于清洗阈值和损伤阈值之间时,清洗机理主要为振动效应;当激光能量密度为2.36 J/cm2时,清洗效果最好,样件表面污染物去除干净,清洗前后表面粗糙度基本没有变化,基材无损伤,激光清洗可满足38CrMoAl材质样件的精密清洗需求。     

由激光靶冲量耦合实验结果判定激光支持爆轰波点燃阈值

根据激光吸收区等离子体组分与激光功率密度的关系判定激光支持爆轰波(LSDW)的点燃阈值。在激光靶冲量耦合实验的基础上,用悬摆动力学方程计算了激光支持爆轰波对铝靶冲量和冲量耦合系数;继而由靶冲量与激光吸收区膨胀介质(等离子体和气体)比热比的Jouguet条件,以及由二维流体动力学数值模拟获得的激光靶冲量随时间的变化过程,得到了激光吸收区介质的比热比随激光功率密度的变化情况,由此可得激光吸收区介质比热比随激光功率密度的增大而减少的结论;根据等离子体和气体比热比的差异定量分析了不同激光功率密度条件下激光吸收区气体和等离子体的构成。由等离子体含量随激光功率密度的变化关系得到了激光支持爆轰波的点燃阈值在(1.62±0.01)×108~(2.10±0.07)×108W/cm2间的结果。     

双包层塑料光纤放大器热漂白现象的研究

对双包层结构如何减小塑料光纤放大器（POFA）中有机染料的热漂白同时又保持较高的泵浦效率进行了理论分析，并用实验证实了结构的可行性。获得的耦合效率为80％；泵浦功率密度为32W／cm^2。     

1.27μm atomic argon laser parameters in fission-fragment excitedHe/Ar and He/Ne/Ar gas mixtures

The authors examine the power efficiency of the fission-fragment-excited atomic argon laser operating on the 1.27-μm (3d'[3/2]₁-4'_p[3/2]₁) argon transition as a function of pump power, gas mixture, and pressure. The maximum measured power efficiency was 1.1±0.3% for a gas pressure of 1300 torr and a He/Ar ratio of 99.88/0.12. Neon addition to the He/Ar gas mixture increased both the energy deposited in the gas and the energy output without decreasing efficiency for a neon gas fraction of less than 0.5. Small-signal gain and saturation intensity are between 0.15-0.27%/cm and 25-200 W/cm² for pump rates of 7.5-30 W/cm ³ in He/Ar and He/Ne/Ar gas mixtures. The laser threshold as a function of total pressure and argon concentration is presented     

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。     

Fabrication of room temperature continuous-wave operation GaN-based ultraviolet laser diodes

Two kinds of continuous-wave GaN-based ultraviolet laser diodes (LDs) operated at room temperature and with different emission wavelengths are demonstrated.The LDs epitaxial layers are grown on GaN substrate by metalorganic chemical vapor deposition,with a 10×600 μm2 ridge waveguide structure.The electrical and optical characteristics of the ultraviolet LDs are investigated under direct-current injection at room temperature. The stimulated emission peak wavelength of first LD is 392.9 nm,the threshold current density and voltage is 1.5 kA/cm² and 5.0 V,respectively.The output light power is 80 mW under the 4.0 kA/cm² injection current density. The stimulated emission peak wavelength of second LD is 381.9 nm,the threshold current density the voltage is 2.8 kA/cm² and 5.5 V,respectively.The output light power is 14 mW under a 4.0 kA/cm² injection current density.     

高占空比大功率激光器阵列

设计并研制了1cm长折射率渐变分别限制单量子阱(GRIN—SCH—SQW)单条激光器阵列。占空比为20％，在70A工作电流下，输出功率达到61．8W，阈值电流密度为220A／cm^2，斜率效率为1．1W／A，激射波长为808．2nm。     

激光无线能量传输接收端光束匀化装置设计

激光无线能量传输中,激光光强分布不均匀和激光光斑与光电池形状不匹配会导致系统光电转换效率降低,局部温度过高,极端条件下甚至对光电池造成损伤。基于分布式匀化思想设计了一种激光接收装置,首先用光学整形扩散片在光电池各子区域进行光束初次匀化,然后用光学漏斗进行二次匀化和整形。针对1 cm×1 cm光电池,分析了光学整形扩散片的扩散角度和光学漏斗的高度对光束匀化效果的影响,优化后的激光接收装置的耦合效率η_c>95%,光强不均匀度Δ<0.05。此外,该激光接收装置对激光入射角不敏感,入射角为20°时,η_c>80%。搭建了3×3光电池芯片阵列的激光无线输能系统,采用分布式匀化激光接收装置,光强不均匀度由0.34降到0.12,光电池转换效率提升了65%。与正入射时相比,入射角为18°时,系统转换效率变化小于20%。结果表明,该分布式匀化激光接收装置有效提高了接收端的光强均匀性和系统光电转换效率,且对激光入射角不敏感,在激光无线能量传输中有重要作用。     

填充粉末对铝合金高功率CO2激光焊接的影响

通过采用和不采用填充合金粉末的比较试验，研究了填充合金粉末对铝合金高功率CO2激光焊接功率阈值、焊缝成形和焊接过程稳定性的影响。实验表明，合金粉末的加入可以提高焊接过程中激光能量的有效利用率；激光深熔焊接时的临界功率密度明显降低，合金粉末还可以减弱等离子体在高度方向上的膨胀跳动，使等离子体在工件表面能维持跳动幅度的相对稳定，有利于获得较为稳定的焊接过程和理想的焊缝成形，并通过试验，获得了焊缝饱满，有一定余高和鱼鳞纹光滑的焊缝。