半导体激光器光束质量评价方法探讨

针对半导体激光器的结构和光束特点,分析了M2因子的概念与半导体激光器激光本质之间的关系,研究了其局限性,探讨了激光光束质量的影响因素,提出利用准直代价作为半导体激光器光束质量评价因子,该因子由激光器的结构参数和光束参数有机组合而成,此值越小光束质量越好,越容易准直.新的评价因子即完善了"光参数积"的普适性,又具有针对性...     

半导体激光器光束质量评价方法探讨

针对半导体激光器的结构和光束特点,分析了M2因子的概念与半导体激光器激光本质之间的关系,研究了其局限性, 探讨了激光光束质量的影响因素,提出利用准直代价作为半导体激光器光束质量评价因子,该因子由激光器的结构参数和光束参数有机组合而成,此值越小光束质量越好,越容易准直。新的评价因子即完善了“光参数积”的普适性,又具有针对性。     

小型化高光束质量MgO: PPLN中红外光参量振荡器

为满足中红外激光的工程应用需求,研制了基于MgO: PPLN晶体的小型化高光束质量中红外光参量振荡器（MgO: PPLN-OPO）。泵浦源采用声光调Q Nd: YVO₄激光器,通过泵浦MgO: PPLN晶体,获得了高效率、高峰值功率中红外激光输出,在MgO: PPLN-OPO谐振腔中加入光阑,有效提高了中红外激光光束质量,整个激光器采用热电制冷与风冷相结合的散热方式,实现了激光器的小型化。实验结果表明:采用无水冷的声光调Q Nd: YVO₄激光器能够实现最高9.3 W的1.064 μm脉冲激光输出,光光转换效率为27.2%,峰值功率可达~27.5 kW;在Nd: YVO₄激光器泵浦下,MgO: PPLN-OPO实现了3.765 μm脉冲激光输出,在谐振腔中加入光阑后,MgO: PPLN-OPO的最高输出功率由1.20 W略降至1.08 W,但光束质量有明显提高,M_x2和M_y2因子分别从1.89和1.98优化至1.20和1.29,中红外激光脉冲宽度为8.4 ns,峰值功率达到~4.3 kW。     

光学组合半导体激光器输出光束特性研究

为了评价光学组合半导体激光器的输出光束性能,采用两种方法从理论上分析了光学组合半导体激光器的输出光束的光束传播因子.第1种方法与传统堆栈式半导体激光器的光束质量评价方法类似,通过几何光学得到光束束宽;第2种方法采用管芯光强分布的类高斯模型计算输出光束的二阶矩进而得到光束束宽,最后均得到输出光束的光束传播因子与激光条单元数及激光条包含管芯数的关系.进行了3个激光条组成的光学组合半导体激光器的实验,获得输出功率120W,功率密度209W/cm2,光束平均间距1.1mm,整体光束传播因子M2=197.对比了两种方法及实验结果.结果表明,这两种方法可以用来估算光学组合半导体激光器的输出光束质量.     

Ho∶YLF激光泵浦的长波红外ZnGeP2光参量振荡器

以2.05μm Ho∶YLF激光器作为光源,泵浦了长波ZnGeP₂光参量振荡器,实现了高效率、高重复频率的长波激光输出。激光器输出的峰值波长为8.1μm,最大输出功率为3.2 W@10 kHz,泵浦激光到长波激光的光光转换效率为12%,斜效率为19.3%,激光单脉冲宽度为27.11 ns,单脉冲能量为0.32 mJ,单脉冲峰值功率为11.8 kW,X方向的光束质量因子为4.5,Y方向的光束质量因子为4.2。     

基于光参数积的单管半导体激光器光束质量描述与评价

根据单管半导体激光器出射光束特点,分别采用1/e2、环围能量以及二阶矩定义描述光束束宽,在高斯光束近似下采用双曲线拟合法测算得到不同方法定义束宽时的光参数积(BPP),并与芯径为105μm、数值孔径为0.2的光纤所能接受的最大BPP进行比较。对该单管半导体激光器进行光纤耦合,实验中单管半导体激光边模数量随注入电流的增大逐渐增多,光束质量的恶化导致其光纤耦合效率逐渐降低,当注入电流由1 A增大到13 A时,光纤耦合效率由96.5%降为88.8%。研究表明以二阶矩定义束宽半径测算光参数积BPP去描述与评价单管半导体激光器光束质量特征是最为准确合理的。     

大功率半导体激光器波导热透镜效应及对慢轴光束发散角的影响

模拟分析了大功率半导体激光器的稳态温度场,通过温度场计算半导体激光器的热透镜焦距及其对慢轴发散角的变化量,并获得半导体激光器的热功率及其关系。分析表明,相同条件下热功率与热透镜焦距近似为反比关系,与慢轴光束发散角近似为线性关系。当热功率达到10 W时,热透镜焦距为568μm,慢轴发散角增加约10°。实验测量了不同工作电流条件下激光器的慢轴发散角,结果显示模拟值与实验值基本一致。     

高光束质量闲频光谐振中红外MgO:PPLN光参量振荡器

报道了采用纳秒脉冲激光器泵浦基于掺杂氧化镁周期极化铌酸锂(MgO:PPLN)晶体的高光束质量、闲频光谐振中红外光参量振荡器。通过选取曲率半径为200 mm的凹面输入镜和平面输出镜来建立平凹腔,实现了高光束质量的近-中红外激光输出。当输入的最大泵浦能量为21 mJ时,输出信号光和闲频光的最大能量分别为3.2 mJ和1.12 mJ,对应信号光和闲频光的斜效率分别为24%和9%。通过在25～200℃范围内改变MgO:PPLN晶体温度,实现信号光波长1.505～1.566μm和闲频光波长3.318～3.628μm的激光调谐输出。由于闲频光单谐振的光参量振荡器具有较大的衍射损耗和光束发散角,可以提高输出闲频光的光束质量。采用刀口法测量得到中红外激光在两个正交方向的光束质量因子分别为M_x²≈1.2和M_y²≈1.2。     

大功率扩散冷却型Slab CO2激光器光束质量的研究

本文对国际上最新的大功率扩散冷却型Slab CO2激光器的光束质量进行了全面的测量与实验研究.从原始激光束的光束质量、通过导光系统后激光束质量、聚焦光斑的质量以及焦点漂移四个方面全面考察了Slab CO2激光器的光束质量以及光束的传输、聚焦特性.结果表明,Slab CO2激光器具有高光束质量,其M2因子非常接近1的理想值;激光束具有良好的传输和聚焦性能,可以长距离传输;使用焦距为300mm的聚焦镜聚焦,聚焦光斑的束腰半径约为134μm,光束横截面能量分布接近理想的高斯分布,焦深约为5mm,在加工范围内(3m),激光束的焦点漂移量大约为1mm.另外,采用Slab CO2激光器对厚度为10mm的低碳钢在不同的离焦位置进行激光深熔焊接实验,讨论了激光光束质量和焦深对焊接结果的影响.     

隧道级联半导体激光器的光束质量因子

运用波导模式理论和光束传输的非傍轴矢量矩理论,对隧道级联InGaAs/GaAs/AlGaAs半导体激光器的光束质量进行了理论研究.分析了隧道级联半导体激光器内限制层厚度和垂直方向光束质量因子的关系.结果表明,在隧道结耦合距离内,隧道结不仅起到了再生载流子的作用,也作为无源波导拓展了光场,减小了垂直发散角,降低了光束质量因子.根据模拟结果设计并制备了高光束质量,小垂直发散角的隧道级联耦合大光腔半导体激光器,其阈值电流密度为271A/cm2,斜率效率为1.49W/A,垂直发散角为17.4°,光束质量因子为1.11的半导体激光器.     

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。     

基于液晶空间光调制器的变倍率激光扩束技术研究

由于激光器发出的光束通常在毫米量级,然而在激光测距、激光通信、激光全息等领域中需要较宽的光束,因此需要对激光束进行准直扩束。本文提供了一种基于LC-SLM的变倍率激光扩束方法,利用LC-SLM产生透镜的波阵面。由计算机数值模拟出焦距不同的变焦透镜相位调制图,将其加载到LC-SLM上,利用焦距不同的变焦透镜相位调制图的灰度信号来控制LC-SLM外加电压变化,实现了基于LC-SLM的变焦透镜功能。根据伽利略望远镜形式的扩束系统,本文利用LC-SLM的变焦透镜功能与匹配透镜配合,搭建了基于LC-SLM的变倍率激光扩束系统,实现对激光束的变倍扩束。实验结果表明,该系统实现了2~×~10~×连续变倍率激光扩束。系统结构简单、精度高、响应速度快,具有很大的实用价值。     

高功率矩形光斑激光非相干空间合束

激光表面热处理技术是进行金属材料表面强化和改性的最有效手段之一。为实现高速、柔性激光表面热处理,按照矩阵平行排列18束光纤输出的972 nm半导体激光束,通过光束准直和空间非相干合束,获得了具有矩形光斑特征的10 kW级合束激光。在理论分析准直激光束的半径、相邻光束间距与合束激光的光斑搭接率之间变化规律、采用Code V光学设计软件建立合束器结构模型及TracePro光学仿真软件模拟合束激光光斑能量分布的基础上,完成了10 kW级18×1矩形光斑激光非相干空间合束器的研制。在200 mm的合束长度内实现了具有单一矩形光斑形貌、最大合束功率10.249 kW、焦斑尺寸31 mm×11 mm、中心波长972.34 nm、谱线宽度2.27 nm的合束激光输出。     

激光扩束望远镜的分析

利用激光束的透镜变换原理,分析了经望远镜扩束后的激光束参数与望远镜光学参数的关系;分析了目镜和物镜焦点不重合程度(失调)对输出激光束参数的影响;给出了输出激光束参数在输出空间的变化规律。     

Intensity of a focused beam in a turbulent medium

The effect of the strength of turbulence on the intensity distribution in the focal plane of a focused laser beam is studied. The intensity in the focal region is found to be unaffected by the turbulence provided Cn²< 0.45 k0^-2S^-5/6F^-1, where Cnis the index of the refraction structure constant, k0is the signal wavenumber, S is the initial cross section of the beam, and F is the focal length.     

色散会聚透镜系统中的微米焦开关

为了研究宽带TEM22模厄米-高斯光束通过受光阑限制色散会聚透镜系统的微米焦开关现象,采用数值计算方法对TEM22模厄米-高斯光束的光强分布进行了分析,取得了传输轴上光强分布的数据.结果表明,带宽变化引起轴上TEM22模厄米-高斯光束两个光强极大的相对大小改变,结果导致光强主极大位置跃变;当相对带宽γ=0.231且菲涅...     

不同空间分布光束通过聚焦光学系统传输特性的比较

基于柯林斯公式和ABCD传输矩阵理论，在相同激光功率和初始束宽下，研究了不同空间分布光束通过聚焦光学系统的传输特性，结果表明，入口处不同阶次的超高斯光束在距离光学系统焦点一半的位置（z=f/2)，光强分布的差别很大，轴上光强随着阶次的增加，先增加，然后减小至固定值；聚焦光学系统入口处超高斯光束的阶次越大，即光强分布越均匀，在光学系统的焦点位置（z=f)，光轴上激光强度越大，直至趋于固定值，但光强分布的差别不大。     

Time-varying beam quality factor and mode evolution in TEA CO2 laser pulses

The time evolution of the transversal modes in a TEA CO₂ laser cavity has been investigated from the analysis of the time-varying beam quality factor M² of the emitted pulses. The experiments reveal a significant change in this parameter during the pulse evolution, which can be translated into an evolution of the modes of the laser cavity to reach a nearly stationary behavior. Attention is focused on both the appearance of a particular mode and the duration of its growing process