大功率激光光纤耦合技术研究

简要介绍了大功率激光光纤耦合技术的六个主要的研究方向。包括 :光纤的选择与光纤端面处理、激光光纤耦合条件、聚焦透镜组合的选择、透镜像差的影响、光束与光纤失准引起的耦合效率下降以及透镜的热透镜效应。     

一种实现半导体激光器和多模光纤耦合的实用技术

文中提出了一种实现半导体激光器和多模光纤耦合的实用化方法。用一段直径为600μm的裸石英光纤代替柱透镜对半导体激光器输出光束进行准直整形;用半球端光纤对光束进行聚焦后直接实现和光纤耦合,来代替聚焦透镜和光纤耦合的环节。研究表明:采用该方法耦合效率在80. 0%左右,同时最大程度解决了使用柱透镜和聚焦透镜的组合透镜耦合系统时存在的调试与封装困难的问题,且工艺稳定,因而有着广泛的应用前景。     

一种应用于激光微烧蚀的光学聚焦系统简化设计方法

针对激光微推力器对光学聚焦系统结构紧凑、聚焦光斑尺寸小以及避免羽流污染的特殊要求,采用传统的光线追迹法研究单透镜直接聚焦、双透镜准直聚焦两种典型方案光学设计方法。针对低功耗半导体激光器光纤耦合输出的芯径和数值孔径条件,在50m级聚焦光斑约束下,研究单透镜聚焦系统设计方案,得到了透镜厚度、焦距、工作距等设计参数的关系;研究准直聚焦光学系统的双透镜系统设计方案,得到了透镜厚度、透镜中心距、工作距等设计参数特征关系。针对两种典型光学设计方案,给出了工程应用设计参数。文中提出的设计方法避免了复杂的光学设计过程,可为激光微推力器激光光束微尺度聚焦提供一种简单实效的方法。     

基于非球面透镜的光纤耦合系统设计

有效将激光耦合进单模光纤是自由空间光通信的关键技术。为了改善聚焦光束质量和降低耦合损耗,首先设计了消球差非球面透镜,并采用精密光纤支架对耦合光纤进行准确定位使耦合光聚焦在光纤端面上。实验表明,该耦合系统的耦合效率达到60%以上。     

塑料光纤激光打标散射点实验研究

塑料光纤（Plastic Optical Fiber,POF）纤芯散射点的形状和大小尺寸控制对基于半导体激光器（LD）和侧面发光POF的LCD背光源设计具有重要意义。研究了一种表面无损伤的POF纤芯散射点的激光打标方法,基于非成像光学的边缘光线原理分析了激光打标制作POF纤芯散射点的二次聚焦过程,推导出激光侧面入射在POF上表面时的焦点坐标的表达式计算式。实验研究了1.06 m波长激光在POF纤芯制作打标散射点时,激光光束半径（打标聚焦透镜高度）、激光功率和重复打标次数对POF散射点形状和体积尺寸的影响。纤芯内散射点的检测采用650 nm激光的散射光相对光强分布进行检测,通过显微照片的对比判断散射点的形状和尺寸。实验结果表明,POF纤芯散射点的形状决定于激光光束半径（打标聚焦透镜高度）,当聚焦透镜高度激光光束半径为束腰半径透镜焦距时,可以得到光纤径向细而长的条散射点;。当聚焦透镜高度小于聚焦透镜焦距时,在POF上下两个表面附近形成漏斗状散射点。而随着激光功率增大和重复打标次数增加,散射点的体积尺寸随着增加。单次打标时POF的激光损伤阈值约为80 W/mm2,而要使POF散射点具有稳定的细长条状,激光功率密度应大于140 W/mm2。     

一种便携式激光多普勒测速光学系统的设计

为了将激光多普勒测速技术应用于野外流体速度测量,设计了一种基于舣光束模式的激光多普勒测速光学系统,采用光纤耦合半导体激光器作为光源,通过保偏光纤耦合器、保偏光纤准直器以及非球面透镜来实现激光的分束、准直与聚焦,形成干涉条纹,并利用接收透镜、针孔光阑以及雪崩光电二极竹检测多普勒信号光.结果表明,所设汁的光学系统的空间分辨...     

提高制作光纤光栅时飞秒激光光斑质量的方法

由于光纤自身固有的圆柱形结构,在飞秒激光逐点刻写光纤布拉格光栅过程中会产生柱透镜效应,使得聚焦光斑呈长条状,对刻写光栅结构产生不利影响。基于几何光学原理分析了产生长条状光斑的原因,并提出了一种有效地改善聚焦光斑质量的方法。实验中,将待写光纤夹在玻璃板之间并填充折射率匹配液,运用800 nm钛蓝宝石飞秒激光通过50×显微物镜聚焦在双包层光纤内,单脉冲曝光后得到了直径为1.5μm圆形光斑,方法简单,易于操作。光斑质量的提高扩展了飞秒激光在光纤微细结构制作中的应用。     

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%。     

用于激光到光纤最佳耦合的二元光学微透镜

采用位相平衡设计法设计了用于激光到光纤最佳耦合的二元光学微透镜，把二元光学微透镜看成是一种沿径向分布的特殊周期性位相结构，并用叠加积分法作了衍射分析，结果表明在不考虑光纤端面反射损耗的情况下，当用多模光纤接收时，设计的二元微透镜能使１００％的入射激光耦合至多模光纤，在光纤中激起的基模比例为９９．６０％；当用单模光纤接收时，设计的二元微透镜能使９９．９５％的入射激光耦合至单模光纤     

一种CO2激光快速加工玻璃微透镜的方法

提出了一种新的制造微透镜的制作方法。该方法基于CO2激光与玻璃材料的热透镜效应, 在玻璃基片上制作微透镜阵列, 是一种低成本、高效率的制备玻璃微透镜阵列的方法。采用CO2激光照射在模板上, 模板上通光部分为圆孔阵列, 利用金属孔阵模板进行选择性投影扫描加工, 通过实验数据分析, 合理的控制离焦距离, 激光功率和辐照时间,可以制造微透镜阵列。最后用共聚焦显微镜及光纤探针扫描仪对微透镜的轮廓及聚焦光斑进行了检测, 样品的轮廓曲线较为平滑、对称, 且具有较好的聚光能力, 证实了该方法的可行性与可靠性。     

掺镱多模双包层光纤激光器弯曲选模研究

为了使大芯径多模双包层光纤激光器实现基模输出以抑制高功率双层光纤激光器中的非线性效应,采用将大芯径的多模双包层光纤适当弯曲进行选模使双包层光纤激光器获得单模激光输出的方法,进行了理论分析和实验验证,取得了大芯径多模双包层光纤内包层折射率、纤芯半径、光纤内传输信号光波长、光纤弯曲半径等因素对弯曲损耗及激光器输出光场模式影响的数据,并采用国产掺镱多模双包层光纤进行了弯曲选模实验,实现了多模光纤激光器的单模输出.结果表明,激光器最大输出功率达9W,斜率效率达17.3%,输出为基模.这一结果对大芯径多模双包层光纤激光器的选模是有帮助的.     

多模光纤在超短脉冲激光领域的新应用

多模光纤在孤子效应、时空锁模、高能量光纤激光器、超快光纤激光器、高能量激光传输等多个领域有特殊的研究价值和应用前景,引起了研究人员的高度关注,成为近年来国内外的研究热点。文章总结了国内外多模光纤器件的研究进展,重点分析了基于多模光纤的锁模激光器、新型锁模器件、非线性自净效应的发展现状及存在的问题,并对其未来发展方向进行展望。     

Laser mode partition noise in lightwave systems using dispersiveoptical fiber

Semiconductor laser mode partition noise (LMPN) can impair analog optical systems, but this phenomenon has not previously been well-characterized. Theoretical expressions for the noise spectra that result when light from a nearly single-mode or strongly multimode semiconductor laser is passed through a length of dispersive optical fiber are presented and have been tested experimentally. A widely used model is found to greatly overestimate the partition noise of a DFB laser; a model for the strongly multimode case is found to match experimental results for a multimode laser. It is observed that partition noise can be significant even for multimode lasers operating near the fiber dispersion minimum     

激光在锥形多模光纤中的耦合效率与传输模式

基于光线追迹的方法建立了典型锥形多模光纤的传输模型,结合激光干扰设备激光的特点,模拟计算了激光在锥形多模光纤中的耦合效率和传输模式,并设计进行了光学实验。仿真和实验结果表明:高斯激光光斑经锥形多模光纤传输后为圆环形光斑;耦合效率随激光入射角的增大而减小,减小的速率随入射角的增大而减小。为解决圆环形光斑分布,提出了将输出端连接的圆柱形光纤弯曲一定角度的方法,该方法可以将光斑改善为二维正态分布的光斑,理论耦合效率近80%。该研究为激光干扰设备的干扰激光直接介入激光制导武器对抗半实物仿真系统提供了理论和实验支持。     

Multi-coupler side-pumped Yb-doped double-clad fiber laser

The side-coupler of angle polished method, using angle-polished multimode fiber and optical adhesive, is used to efficiently pump an Yb-doped double-clad fiber laser. The maximum coupling efficiency of 78.6%is achieved by the side-coupler for a multimode fiber with a circular core of 200 μm and a double-clad fiber with a 350/400 μm D-shaped inner cladding. While laser diodes (LDs) with three side-couplers are simultaneously used as pump sources, maximum output power of 1.38 W and slope efficiency of 48.9% are demonstrated in the fiber laser system.     

一种新型的高功率双波长自相似抛物线脉冲激光器

基于正色散单模光纤、掺Yb3+增益光纤和多模光纤光栅,提出了一种可调高功率双波长自相似抛物线脉冲激光器。采用非线性薛定谔方程描述双波长自相似抛物线脉冲的传输和演化过程,并利用分步傅里叶方法进行数值模拟。输入脉冲在正色散单模光纤与掺镱增益光纤中产生自相似抛物线脉冲,多模光纤布拉格光栅对激光器进行双波长选择,通过调节偏振控制器实现双波长稳定运行。数值模拟分析结果表明该激光器的运行是可行且有效的。     

弯曲直径对多模光纤激光器输出性能的影响

大模场面积(LMA)多模光纤激光器的输出性能与光纤的弯曲程度有关。为研究两者之间的关系,在光纤不同弯曲直径下,对多模光纤激光器的输出性能进行了实验测量和理论计算。采用刀口法测量了不同弯曲直径下的激光光束质量因子M~2,并对每种情况下光纤激光器的斜率效率进行了测量。光纤弯曲直径分别为285 mm, 195 mm和130 mm时,多模光纤激光器光束质量因子M~2为2．88,1．82和1．67,斜率效率为39％,35％和34％。另外,对于实验所采用的大模场面积多模光纤,理论计算了各模式损耗与光纤弯曲直径的关系。     

激光二极管线列阵与多模光纤列阵的光纤耦合

利用一段数值孔径(NA)较小的多模光纤作为一个低成本的微透镜,对激光二极管线列阵的大数值孔径方向准直,将激光二极管线列阵的输出光束耦合到多模光纤列阵中.激光二极管线列阵每个发光单元的光分别耦合到光纤列阵的单根光纤中.总的耦合效率和输出光功率分别为75%和15W.     

激光二极管线列阵与多模光纤列阵的光纤耦合

利用一段数值孔径(NA)较小的多模光纤作为一个低成本的微透镜,对激光二极管线列阵的大数值孔径方向准直,将激光二极管线列阵的输出光束耦合到多模光纤列阵中.激光二极管线列阵每个发光单元的光分别耦合到光纤列阵的单根光纤中.总的耦合效率和输出光功率分别为75%和15W.     

Multimode Fiber Devices for Optical Fiber Links, Printing, and Display

It is generally agreed that multimode graded index fiber has become the main fiber technology for optical communication applications. Multimode graded index fibers provide sufficient bandwidth for most applications without the critical tolerances of single mode fibers. In this paper, multimode fiber devices and components based on packaging miniaturized optical components for a GaAs laser array source package, and multichannel waveguides will be discussed. Experimental results, fabrication process and technology limitation for some of the multimode devices will be included. One major drawback of using multimode fibers is the difficulty to obtain simple and efficient switches and taps which are essential for data bus or other optical links. Some possible solutions for multimode fiber switches with miniaturized bulk wave devices will be presented.