脉冲光纤激光相干合成技术

概述了目前国内外脉冲光纤激光相干合成的研究现状,介绍了几种典型脉冲激光合成方法,比较了各种方法的优缺点,分析了向高功率扩展的可能性,并简要总结了脉冲光纤激光器合成技术的发展趋势.     

两路纳秒脉冲光纤激光相干合成的实验研究

报道了两路纳秒脉冲光纤激光的相干合成(CBC)实验。利用主振荡功率放大(MOPA)结构搭建两路全保偏光纤激光放大器,利用随机并行梯度下降(SPGD)算法对两路放大器进行相干合成,获得了重复频率10MHz、脉冲宽度10ns、平均功率50mW的脉冲激光输出。系统闭环时目标圆孔内能量提高了1.76倍,远场光斑条纹对比度提高了4.38倍。     

基于相干合成的可调全光纤脉冲激光源

基于光束相干合成的原理,提出了脉冲激光产生的新方法,设计并构造了相应的全光纤实验系统.该方法通过对光纤耦合器中相干合成的两束相干光的相位差进行有效地控制,实现重复频率、脉宽、占空比均可调的脉冲激光输出.实验中利用闭环工作点控制法进行噪声相位补偿,以得到稳定的脉冲光输出.实验分别利用矩形波、三角波、正弦波进行相位调制,得到了相应波形的激光输出;利用不同参量矩形波进行相位调制,可以得到重复频率从1～500 kHz,占空比从20%～80%可调的脉冲光输出,在重复频率为500 kHz时,脉宽可达300 ns.这种脉冲激光产生技术为大功率、可调脉冲激光的产生提供了一种新的途径.     

激光相干合成技术研究新动向

介绍了光纤激光器相干合成技术及其进展,指出了互注入锁相是一种被动锁相的新技术,该技术具有合成效率高、相干度高,容易实现多光纤合成和高亮度输出等特点,是一种有前途的大功率相干合成方法。     

多光束激光相干合成技术研究

在相干合成理论的基础上,建立了具有普适性的多光束激光相干合成数学模型,并通过计算机模拟了几种条件下多光束激光相干合成的强度分布情况,讨论了相干合成系统各参数变化对相干合成效果的影响.     

高功率脉冲光纤激光光束合成的最新研究进展

光束合成作为提高脉冲激光功率的有效手段,近年来得到了人们越来越多的关注.综述了几种典型的脉冲光纤激光光束合成方法.详细介绍了近年来不同时域特性(如飞秒、皮秒、纳秒)脉冲光纤激光光束合成的最新进展,分析了各种合成方法的技术特点,总结了脉冲光纤激光光束合成的发展趋势.     

光纤激光相干合成与非相干合成的比较

对多路光纤激光输出光束进行合成是获得高功率、高光束质量的输出的有效方法.为了比较不同合成方案的远场效果,对聚焦发射的相干合成和非相干合成光束远场分布进行数值计算,从控制相位误差、光束抖动和阵列占空比等三方面对这两种方案的远场特性进行比较研究.计算结果表明,与非相干合成相比,相干合成能够在远场获得更高的能量集中度,但会受到光束抖动和阵列占空比的严重影响.和通常考虑的平行发射相比,聚焦发射体制对相干合成时相位误差的要求宽松了很多,相位误差均方根(RMS)为π/3时,半径为5.6 cm的圆桶内汇聚的能量仍大于完全相干合成情形下的90%.     

光纤激光合成技术研究新进展

介绍了目前国内外光纤激光器合成技术的最新进展，分析了几种流行的非相干和相干合成技术方法，指出了其优缺点，最后对光纤激光器相干合成技术的发展作了展望。     

光纤激光相干合成技术

光纤激光是20世纪以来国内的研究热点。国防科技大学在光纤激光方向的研究始于“十一五”期间,至今已有约15年的历程,取得了一系列同行认可的研究成果。学校光纤激光的研究主体依托于光学工程学科。光学工程学是学校的优势学科之一,近几轮学科评估中得到了很好的成绩,为光纤激光方面的研究提供了高水平的科研平台和人才队伍等;另一方面,光纤激光的发展也受益于学校学科门类比较齐全的优势和在学科交叉方面的有益探索与实践。文中从学科交叉视角,梳理学校光纤激光学科方向与电子、材料、控制、智能、纳米等学科方向交叉取得的若干重要突破,从科研范式演进、学科主体驱动、应用需求牵引和科教融合发展等四个方面分析交叉科学研究和交叉学科建设面临的机遇。     

光纤激光非相干合成效果分析

为了研究光纤激光的非相干合成特性,建立了圆环状排布的光纤激光阵列光束合成模型,模拟分析了单元光束束腰半径w0、波前畸变和光束间距对非相干及相干合成远场光束质量的影响.讨论了多路激光平行性对非相干合成效果的影响,并进行了相关实验验证.结果表明,单元光束无波前畸变时,当光束间距为d0=2.8w0时,非相干与相干合成光束质量相等;单元光束存在波前畸变时,光束间距有所减小,这是因为波前畸变对非相干合成影响更小;对于非相干合成,随着多路激光之间不平行度的增大,非相干合成光束质量逐渐变差,并且单元光束质量越好,对多路激光平行性要求越高.该研究可为实际光纤激光合成系统设计分析提供参考.     

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。     

高功率光纤激光空间拼接的研究进展

鉴于当前光纤激光空间拼接的研究成果,归纳出3种不同的拼接类型:利用转向镜的拼接、利用合束器的拼接和利用凹面光栅的拼接.对于每一种拼接方案,本文详细介绍了其实现的原理以及所采用的技术手段,并呈现了这些拼接方案所取得的阶段性成果.     

对百千瓦级全固态激光相干阵列系统的分析

对百千瓦全固态激光相干阵列系统进行了深入分析。通过对Northrop Grumman公司相干合成105kW高功率固体激光报道的解读,理清高功率固体激光相干阵列系统设计与研发过程中需要攻克的单元光束净化、相位控制、孔径填充、系统标校等技术难关。阐释全固态激光相干阵列与单增益介质单孔径100kW全固态激光系统的优势,并对全固态激光非相干阵列进行了简单分析。     

用于油井激光射孔的10 kW激光19×1空间非相干合束

激光射孔是油井完井工程领域一项具有前瞻性的技术,对提高石油资源采收率具有重要的应用价值。为提高油井激光射孔所使用的激光功率和激光传输的安全性,利用19台光纤传输972 nm半导体激光器实现了10 kW级激光空间非相干合束。通过分析参与合束的准直激光束的半径、间距与合束激光的光斑重叠率之间的变化规律以及模拟合束激光横截面能量分布,完成激光空间非相干合束器的结构设计。在300 mm的合束长度内实现了具有单一光束形态且最大合束功率达到10.441 kW、焦斑直径21 mm、线宽2.46 nm的空间非相干合束激光输出,合束效率达到98.2%。利用10 kW空间非相干合束激光完成了针对砂岩和钢板的地面激光射孔实验,射孔深度分别达到570 mm和70 mm。     

焊接用大功率YAG激光耦合装置的研制

为增大激光器输出功率,实现中厚度板的激光焊接,研制了一套YAG激光耦合装置.利用非相干合成技术将三束激光合成为一束大功率激光,再通过耦合技术经由一根光纤输出.对耦合装置的焊接性能进行测试表明,与单束激光源相比,该装置可使焊接材料厚度大幅度增加,提高了加工效率.     

光纤激光相干合成与谱合成的比较

相干合成和谱合成是两种不同的光束合成方案,近年来均取得了显著进展.为了比较系统地研究这两种新兴的光束合成技术,从光纤激光器的基本要求、关键技术、可扩展性、光束质量、系统稳定性和光束控制等6个方面,对目前已经获得高功率且有望获得更高功率输出的两种典型方案进行了比较研究.结果表明,基于主振荡功率放大器结构的相干合成方案和谱合成方案均难以同时获得高功率、高光束质量的激光输出.对于不同的应用场合,需要在高功率和高光束质量中选择较好的平衡点.     

测量激光束横模结构的方法研究

分析了根据激光场强度相对分布计算激光束横模结构的方法,根据分析结果设计了利用光场分布测量激光束横模结构的实验方法。对所设计的方法进行了仿真验证,同时通过具体实验,对一款调Q激光二极管抽运固体激光器(DPL)的激光束横模结构进行了测量。实验中,在不知道谐振腔参数的情况下,根据设计的方法测量了激光束的各阶横模比例。以测量出的横模比例为基础,理论上重构出激光束,该光束和实际光束的空间传输过程基本吻合。     

激光喷丸后板料表面微观形貌的可视化数值研究

对不锈钢SUS304板料进行了激光喷丸成形的可视化数值模拟分析和实验研究。以有限元分析软件ABAQUS/CAE为平台,通过建立的激光喷丸过程冲击波加载的转换模型,把脉冲激光能量转换成冲击波压力,利用用户子程序解决了脉冲激光束连续逐点喷丸板料变形的轨迹控制,实现激光喷丸板料动态变形过程的可视化。通过所建立的模型,对脉冲激光喷丸后材料表面的微观塑性流动过程进行了分析,研究了表面微观形貌的变化。     

脉冲半导体激光器光束并合技术研究

为了提高脉冲半导体激光器达到远场的能量密度,提出采用多个脉冲半导体激光器并合的方法来解决。介绍了光束并合的原理,并且就影响光束并合的因素进行了理论分析与推导,然后采用Matlab模拟分析了各个激光器出光时间同步性对光束合成功率密度与脉宽的影响,以及采用Zemax仿真分析了各个激光器间的轴线平行性以及激光器与准直系统间的同轴性对合成光斑质量的影响,最后通过具体的距离选通实验,验证了光束并合是一种有效地图像提高远场能量密度的手段。     

光谱合束二向色镜反射率及合束效率仿真研究

为了研究合束效率与二向色镜的反射性质之间的关系,通过建立多层膜系粗糙表面反射模型,采用模拟仿真的方法对用于光谱合束的大陡度二向色镜反射率曲线进行了计算分析,结合光纤激光器光谱曲线得到了合束效率的仿真结果。对不同角度二向色镜表面面形与反射率、合束效率的关系进行了分析,对二向色镜合束系统的稳定性进行了模拟讨论,并对二向色镜的部分参量提出了要求。结果表明,使用小角度二向色镜可以获得10kW以上的输出功率,合束效率达97%。这一结果对二向色镜参量的提高是有帮助的。