基于能量反馈的单模光纤激光章动耦合算法

基于模场匹配原理,分析了倾斜像差对耦合效率的影响,并在理论分析的基础上,对激光章动跟踪方法进行了仿真分析,研究了章动算法参数对算法动态性能的影响。利用快速反射镜和PIN(Positive-Intrinsic-Negative)光电二极管对仿真分析结果进行实验验证。结果表明,章动半径与收敛速度成反比,同时半径增大会引起稳态振荡幅度增大,而采样点数的增多会导致算法收敛速度下降。此外,所提算法对一定范围内的动态扰动有明显的抑制作用。     

基于激光章动的空间光到单模光纤的耦合方法

基于模场匹配原理,分析了耦合效率与抖动幅度、艾里斑半径和单模光纤模场半径比值的关系。为了减小随机角抖动对耦合效率的影响,提出了基于激光章动的空间光到单模光纤的自动耦合方案,利用数据采集卡算出脱靶量并输出补偿电压。分析了算法精度的影响因素、激光章动信号频率与抖动频率的关系,用Matlab仿真及实验验证了算法的可行性。实验得到脱靶量角度精度约为3μrad,结合空间激光通信系统验证了系统的可行性。没有扰动时系统的耦合效率为67%;引入扰动并用控制系统进行扰动补偿后,系统的耦合效率提高了6.5%,响应速度为40Hz。耦合系统结构简单,控制算法精度高,控制器信号处理速度快,对空间光到单模光纤的耦合具有重要意义。     

基于抛物线拟合的光纤自动对准算法

半导体激光器（LD）与单模光纤（SMF）耦合时,峰值功率搜索算法是实现自动对准的关键.对LD和SMF端面耦合特性进行了分析,进而设计了基于抛物线拟合原理的光纤自动对准算法,给出了算法的具体实现方法.实验证明,与传统的爬山法相比,这种算法由于减少了采样点数而缩短了搜索时间,收敛速度快,从而提高了自动对准的速度.     

4×10Gbit/s并行光模块串扰优化设计

为了对4×10Gbit/s并行光模块光串扰进行优化,采用了ABCD传输矩阵法,结合光纤耦合约束条件以及准直透镜、自聚焦透镜和光纤端面球透镜的理论,设计出两套优化方案。研究了垂直腔面发射激光器光束特性,利用MATLAB进行理论分析,模拟得出光斑半径与发散角的关系,并分析了串扰情况。在ZEMAX非序列模式下完成了光路建模,优化结构中透镜参量以及光纤端面设计,进行了理论分析和实验验证,取得了优化后耦合光斑半径与耦合效率。结果表明,间接耦合优化结构中,到达光纤端面的光斑为53.72μm,耦合效率达到72.59%;而直接耦合优化结构中,到达光纤端面的光斑为3.695μm,耦合效率高达到76.11%,有效地解决了并行光模块之间的光串扰问题。这一结果对光网络信号传输质量优化方面是有帮助的。     

974nm半导体激光器的光纤耦合研究

根据半导体激光器和单模光纤模场分布特点,用模式耦合理论研究了单模光纤与半导体激光器的耦合,结果表明将光纤端面制作成楔形微透镜可以使光纤与半导体激光器的耦合满足模场匹配和相位匹配的要求。用遗传算法对楔形光纤微透镜参数进行优化,得到楔角为88°,柱透镜半径为3.44μm,耦合距离为6.13μm时耦合效率达到最佳值,用Zemax光学仿真软件对耦合模型进行仿真,得到耦合效率为88.9%,耦合好的模块经激光点焊及高低温环境测试后,得到最大耦合效率为81.36%。实验结果与仿真结果相差不大,耦合输出功率满足了作为光纤激光器种子源的功率要求。     

基于FPGA硬件控制平台的单模光纤自适应耦合技术

提出了基于现场可编程逻辑门阵列(FPGA)硬件控制平台将空间激光耦合至单模光纤(SMF)的自适应耦合技术。将自适应光纤耦合器作为激光接收器件和像差校正器件,使用基于随机并行梯度下降(SPGD)算法的FPGA硬件控制平台实现SMF端面对聚焦光斑的自适应跟踪,算法的双边迭代速率达到了3kHz。实验结果表明,该控制系统可补偿SMF接收端面最大约9μm的静态对准偏差(对应空间光束的最大可校正静态角偏差为600μrad),对于模拟大气湍流造成的耦合效率下降具有150Hz的校正带宽。     

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.     

楔形光纤与半导体激光器的耦合研究

结合半导体激光器的特点,通过对高斯光束发散特性的分析,得到激光器的模场分布特点,指出与激光器最佳耦合的光纤外形为楔形光纤,楔形光纤的楔角与尖端半径决定着耦合效率。实验表明,楔形光纤与半导体激光器的耦合效率明显优于尖锥形光纤与半导体激光器的耦合。用楔角为104°,尖端半径为3.3μm的楔形光纤进行测量,测得最大耦合效率达到87.2%。     

1310nm FP TO-CAN偏心封装耦合效率的研究

文章应用ZEMAX软件模拟了管芯与光纤在不同偏移量下的耦合效率,并进行了实验验证.结果表明,6.5 mm焦距的TO-CAN(晶体管外壳封装)与端面倾斜8°的光纤,在管芯偏移100μm时,耦合效率最大,模拟值为21.9％,实验值为21.32％;5.8 mm焦距的TO-CAN与端面倾斜6°的光纤,在管芯偏移80 μm时,耦...     

单模光纤章动跟踪耦合系统设计

在光纤激光通信系统中,为了克服准误差、随机角抖动误差、大气湍流像差对单模光纤耦合效率的影响,本文设计了单模光纤章动跟踪耦合系统。首先基于模场匹配原理,分析了径向偏差和光斑大小对耦合效率的影响。其次在理论分析的基础上,对激光章动跟踪系统进行了设计,主要包括激光器、准直镜、快速反射镜、耦合透镜以及光电探测器,并以光电探测器的能量反馈完成了激光章动跟踪算法设计。最后搭建了实验平台,对系统进行了实验测试。通过实验测试得到,在激光章动跟踪时单模光纤的耦合效率为53.5%,并测试了径向偏差以及光斑大小对耦合效率的影响,得到了相应的曲线。耦合效率满足系统要求,并且实验测试曲线与理论分析的仿真曲线基本一致。     

多模光纤远端光场重建的采样方案（特邀）

利用相位恢复算法可以从光纤近端的光强分布求解光纤远端的场强分布。光纤的响应可以用传输矩阵描述。实验上则是在不同的输入情况下对输出端的光强分布进行足够数量的采样来测量传输矩阵。显然,采样点的位置分布,包括采样点数目和间隔,影响着传输矩阵的测量,而相位恢复算法的精度和效率与传输矩阵有关。文中提出采样间隔应该大于出射散斑大小,以满足传输矩阵不同行的统计独立性,在保证图像重建质量的条件下减少采样点数,提高重建效率。实验结果表明,当采样间隔小于散斑大小时,相同的图像重建质量下,随着采样间隔的增大,光场重建所需的采样点数量明显下降。当采样间隔大于散斑时,所需的采样点数量变化缓慢,约为输入图像像素数量的3.5倍。采样间隔固定时,随着采样点数的增加,相位恢复算法消耗的时间先减小后增大,因此存在一个最佳的采样间隔与采样点数。     

多模与单模光纤级联系统对激光束的传输

分析了激光束在光纤中的非线性传输损耗,理论上证明了受激布里渊散射(SBS)是光纤传输能力的主要限制因素;实验上在532nm波段对长度为5m,纤芯半径为1.75μm,数值孔径(NA)为0.11的单模光纤的传输能力进行了测定,结果与理论一致。采用模场耦合理论,推导出多模光纤与单模光纤的直接耦合效率表达式,计算得到耦合效率与所选用的多模光纤和单模光纤的纤芯芯径之间的模拟关系。激光器输出波长为532nm;多模光纤的数值孔径为0.11,纤芯半径为12.5μm;单模光纤的数值孔径为0.11,纤芯半径为1.75μm,实验结果与理论基本吻合。根据理论和实验结果,设计出多模光纤与单模光纤混合传输方案,在柔性传输较高激光功率的同时可以得到高光束质量。     

空间光-光纤阵列耦合自动对准实验研究

为了使空间光-光纤耦合结构具有一定的抗抖动能力,采用自聚焦透镜和多模光纤耦合阵列结构结合模拟退火算法对光纤阵列实行2维控制,自动搜寻空间光-光纤耦合最佳视轴对准姿态。对光纤阵列和模拟退火算法进行了理论分析实验验证,取得了耦合效率变化的相关数据。结果表明,通过模拟退火算法可以实现空间光-光纤视轴对准,且光斑中心在耦合端面中心抖动小于2.5mm时,耦合功率波动小于35%,满足无线激光通信系统的要求。     

基于SPGD算法的自适应光纤耦合器阵列技术研究

自适应光纤耦合器(AFC)是一种可实现高稳定、高效的空间光至光纤耦合的新型自适应光学器件。研究了AFC阵列作为空间激光通信系统接收光端机的可行性。在不同的大气湍流强度下, 利用SPGD算法, 仿真研究了不同子孔径数AFC阵列的闭环控制过程。研究结果表明, AFC阵列技术可缓解大气湍流影响, 改善光纤耦合效率并提高耦合过程的稳定性;当等效接收口径一定时, 随着阵列子孔径数的增加, 光纤耦合效率及控制算法收敛速率都相应提升。     

腐蚀长周期光纤光栅温度稳定性研究

长周期光纤光栅在光纤通信和传感等方面应用广泛,温度稳定性是其在实际应用中一个十分关键的问题。本文分析了腐蚀长周期光纤光栅(LPFG)温度特性,通过测试包层半径分别为62.5μm5、0μm、40.25μm和34.5μm的长周期光纤光栅的温度特性,得到了光栅温度灵敏度随着包层模半径的减小及耦合包层模阶次的升高而灵敏度减小,提出了提高长周期光纤光栅温度稳定性的新方法。     

空间光耦合自动对准方法与实现

空间光-单模光纤耦合的关键技术是精确定位耦合光斑在光纤端面上的位置。基于光纤偏移与空间光-单模光纤耦合效率之间的关系,研制了由二维压电陶瓷、驱动器、控制器、光电探测器及耦合透镜组成闭环控制系统,结合模拟退火算法实现空间光-光纤的自动对准耦合。理论分析了空间激光与光纤的耦合效率并阐述了模拟退火算法原理。实验结果表明:通过模拟退火算法可以在较短时间内实现耦合到最佳位置的自动对准定位,耦合效率达到了51.4%,相对于没有自动对准之前提高了6.5%。该方案切实可行,对空间光-单模光纤的自动耦合方案的研究具有重要的意义。     

透镜组耦合793nm LD抽运掺Tm~(3+)光纤激光器

为了实现2μm激光高效输出,采用793nm激光二极管端面抽运掺Tm3+光纤激光器的方法设计了抽运光耦合系统,分析了掺Tm3+光纤激光器的交叉弛豫效应及热效应,并进行了相关的实验研究。结果表明,获得耦合系统的耦合效率为84%;当入纤抽运光功率为70W时,获得34W激光输出,斜率效率为59%,中心波长为2001.2nm,光束质量M2≤1.2。该研究结果对掺Tm3+光纤激光器的设计具有指导意义。     

光纤端面宽带减反射膜制备

为了提高高功率半导体激光器光纤耦合系统中光纤的透过率以及耦合效率,通过高精密研磨抛光技术处理光纤端面,选取高激光损伤阈值薄膜材料,优化膜系结构,采用直接光控技术和离子辅助沉积法,成功地在光纤芯直径为100μm的多模光纤(MMF)端面上镀制了宽带减反射膜。测试结果表明,在900~1 100nm波段光纤双端面光损耗降低6%,总透射率达到99.2%,有效提高了光纤耦合系统中光纤耦合效率。     

激光二极管抽运的高光束质量的Yb∶YAG薄片激光器

演示了激光二极管(LD)端面抽运Yb∶YAG薄片固体激光器,抽运源是美国相干公司(COHERENT)光纤耦合输出半导体激光器,光纤输出芯径为800μm,在940nm处最大输出功率为1356W,由于光纤输出芯径较大,不利于抽运光和振荡光的模式匹配,为了得到较小的抽运光斑,采用了焦距比为30∶12的耦合透镜组压缩入射到晶体端面的抽运光光腰半径,晶体为原子掺杂浓度8at.%,几何尺寸为7mm×16mm国产Yb∶YAG晶体,整个实验装置采用温差电致冷(TEC)和循环水冷却方式,实验中得到了306W的连续激光输出,激光器的斜率效率为331%,测得M2因子在x和y方向分别为154和173,具有良好的光束质量。     

激光二极管抽运的高光束质量的Yb:YAG薄片激光器

演示了激光二极管(LD)端面抽运Yb:YAG薄片固体激光器,抽运源是美国相干公司(COHERENT)光纤耦合输出半导体激光器,光纤输出芯径为800μm,在940 nm处最大输出功率为13.56W,由于光纤输出芯径较大,不利于抽运光和振荡光的模式匹配,为了得到较小的抽运光斑,采用了焦距比为30:12的耦合透镜组压缩入射到晶体端面的抽运光光腰半径,晶体为原子掺杂浓度8 at.-%,几何尺寸为φ7mm×1.6 mm国产Yb:YAG晶体,整个实验装置采用温差电致冷(TEC)和循环水冷却方式,实验中得到了3.06 W的连续激光输出,激光器的斜率效率为33.1%,测得M2因子在x和y方向分别为1.54和1.73,具有良好的光束质量.