高功率激光放大系统中光栅展宽器的优化

对高功率啁啾脉冲放大激光系统,光学元件限制的瓶颈在于大口径光栅.一方面是由于其破坏阈值较低,另一方面是由于大尺寸光栅制造困难及价格昂贵.因此,啁啾脉冲放大过程中,在相同展宽量的前提下,如何缩小光栅尺寸是一件很有价值的工作. 通过分析入射角大于利特罗角和入射角小于利特罗角两种情况,发现在相同展宽量条件下:入射角小于利特罗角时的光栅宽度小于入射角大于利特罗角时的光栅宽度.同时,在入射角小于利特罗角时存在一个最佳入射角,此时光栅宽度达到最小值.(OB18)     

展宽器元件失调及带通分析

通过光线追迹法给设计的反射式单光栅展宽器建立了一个数学计算模型。利用这个数学模型计算和分析了元件失调对反射式单光栅展宽器二阶色散量和输出光束发散角的影响,并考虑了反射式单光栅展宽器中衍射光栅和球形凹面镜的尺寸与展宽器带通的关系。发现当平面反射镜 M1 的纵向偏离角为 0. 2°时,展宽器的二阶色散量最大,偏离角大于或小于0 .2°时,展宽器的二阶色散量随之减小;得到了元件失调会增加输出光束发散角的结论;并发现展宽器中衍射光栅和球形凹面镜尺寸的有限大小对带通有限制作用。提出了利用反射镜 M1 纵向的适当偏离增大展宽器二阶色散量的方法,以及增大衍射光栅和反射镜尺寸来提高展宽器带通的方法,从而进一步减少展宽过程中的光谱剪切。     

基于反射式达曼光栅的频率分辨光学开关装置

采用反射式达曼光栅对飞秒激光进行分束,可以避免材料色散的影响.搭建了利用反射式1×2达曼光栅为基础的频率分辨光学开关(FROG)装置,并把测量结果与传统多发频率分辨光学开关装置的测量结果进行了对比.理论和实验结果表明,当输入脉冲宽度大于50 fs时,用达曼光栅作为分光器和使用分光镜分光的效果是一样的;当输入脉冲的宽度小于50 fs时,用达曼光栅作为分光器引入的展宽量明显小于分光镜引入的展宽量,尤其是当输入脉冲的宽度小于20 fs时用达曼光栅作为分光器的效果更为突出.     

基于同心展宽器的飞秒啁啾脉冲放大研究北大核心CSCD

在啁啾脉冲放大(CPA)系统中,时域展宽器与压缩器的匹配是获得高对比度飞秒脉冲的关键。相比较常规的Martinez和Offner结构的展宽器,基于同心结构的展宽器由于物与像完全重合,可以消除像差带来的高阶色散的影响,进而采用光栅对压缩器以获得更好的压缩效果。透射光栅对和凹面反射镜组合实现的同心展宽器具有结构紧凑的优点,将该展宽器替代原有的Martinez型展宽器,在重复频率为1 k Hz、泵浦功率为11.4 W的泵浦条件下,展宽后的啁啾脉冲经环形腔钛宝石再生放大器进行能量放大,再由光栅对进行压缩,可获得脉冲宽度为47.5 fs的压缩结果,接近于光谱带宽22.1 nm的傅里叶变换极限。该结果表明基于透射光栅的同心展宽器可以获得较好的飞秒脉冲压缩效果。     

百微焦飞秒光纤啁啾脉冲放大激光系统

报道了一套基于棒状光子晶体光纤放大器的高脉冲质量飞秒啁啾脉冲放大激光系统。该系统主要由锁模光纤振荡器、脉冲展宽器、脉冲选单单元、脉冲延时单元、掺镱光纤预放大器、棒状光子晶体光纤主放大器以及光栅压缩器组成。通过精细调节展宽器和压缩器中的光栅位置及入射角度优化系统的色散,当输出脉冲的重复频率为500 kHz时,获得了平均功率为51.5 W、单脉冲能量为103μJ、脉冲宽度为251.7 fs的高脉冲质量高稳定性的飞秒激光输出。在1 MHz的重复频率下,获得了平均功率为61.5 W、脉冲宽度为273 fs的高脉冲质量飞秒激光输出;使用偏硼酸钡(BBO)晶体进行非线性频率变换,获得了平均功率超过20 W的517 nm绿光激光输出。     

啁啾光纤光栅引起的系统色散功率代价

分析了啁啾光纤光栅对光脉冲信号的作用 ,计算光脉冲经过一定距离传输并由啁啾光纤光栅进行色散补偿后的脉冲展宽情况 ,同时分析啁啾光纤光栅群时延抖动对系统色散代价的影响。在系统色散功率代价一般要小于1dB的条件限制下给出啁啾光纤光栅群时延抖动的幅度、周期与系统单信道速率这三个参量之间存在相互关系     

光栅对刻线失配对啁啾脉冲时间波形的影响

为了研究啁啾脉冲在光参量啁啾脉冲放大系统中传输时脉冲变化的情况,采用光线追迹法和4阶龙格-库塔法,得到了压缩器光栅对刻线失配对输出脉冲宽度和时间波形的影响的模拟结果。结果表明,当光栅对刻线失配且夹角约在±4°范围内时,若只考虑2阶色散的影响,初始啁啾导致脉冲宽度略小于无初始啁啾脉冲的宽度。当考虑到3阶、4阶及更高阶色散时,脉冲宽度大于种子脉冲的初始宽度。当入射脉冲具有正啁啾时,出射脉宽随夹角α的增大不断增加,但当具有负啁啾时,脉宽随α的增大先减小后再增大。光栅G2顺时针旋转时的脉宽变化与G2逆时针旋转时脉宽变化相同。另外,初始啁啾对出射脉冲出现的预脉冲、尾脉冲有一定的削弱作用,负啁啾对脉冲展宽和失真的影响明显小于相应的正啁啾。     

啁啾脉冲激光放大系统中展宽倍数的计算与实验测量

通过简单方法,对常用光栅展宽器的展宽倍数进行估算,分析了影响展宽器展宽倍数的因素,并将计算结果与实验中的两种测量的结果作了比较,证实了计算的准确性,为分析飞秒锁模脉冲经过展宽器后脉冲的展宽情况提供了有效手段。     

飞秒啁啾脉冲放大系统调节精度的研究

以负色散光栅对压缩器为模型，通过系统的色散误差公式从理论上分析了飞秒啁啾脉冲放大糸统甲的展苋器和压缩器的调节精度与系统的光栅对距离、光栅入射角、光栅密度等参量的关系，以及不同宽度入射脉冲对系统调节精度的要求。结果表明，必须选择合适的光栅入射角和光栅密度才能在满足系统对综合性能要求的同时降低对系统调节精度的要求；系统中光栅入射角度的调节具有最高的调节精度要求；入射脉冲宽度越窄则对系统的调节精度的要求越高；整个系统的优化中如果考虑各阶色散之间的相互补偿作用，则可以减少光栅对距离和光栅入射角的调节精度要求。     

软X射线自由电子激光单色器优化方法

软X射线自由电子激光(FEL)光栅单色器的设计是个多目标优化任务,涉及到能量分辨能力、脉冲展宽、光斑投影大小、物距、像距、光栅线密度、光栅变线距等众多参数,优化起来十分复杂。本文提出了光栅单色器的统一优化方法模型,该模型把多目标优化任务转化为单目标(光栅焦点常数C;)优化任务。基于该模型,本文对比了三种软X射线FEL光栅单色器设计方案,并直观地对单色器能量分辨能力、脉冲展宽和光斑在光栅上投影大小进行评估。此外对这三种光栅单色器的设计方案进行了详细的计算,并绘制出了"C;-波长-优化参数"三元图。通过"C;-波长-优化参数"三元图,能够清晰地得到光栅单色器的能量分辨能力、脉冲展宽和光斑投影大小随着C;变化而变化的趋势。本项工作为光栅单色器的设计和优化提供指导作用。     

导模共振光栅参量对共振波长和线宽的影响研究

为了能够设计出具有反射功能的导模共振光栅，采用光栅的等效介质理论、平面波导理论以及严格耦合波法，进行了理论分析和实验验证，设计了在TE偏振下波长850nm处具有反射共振的导模共振光栅。利用严格耦合波法，计算并分析了光栅参量、入射角以及波导层厚度对共振波长和线宽的影响。结果表明，随着占空比的增大，共振波长会红移，而共振线宽会随着占空比的增大先增后减，占空比为0.5时线宽能达到最宽；共振波长会随着光栅周期和波导层厚度的增大而增大，但线宽几乎不变，当周期从490nm增加到520nm时，共振波长红移了将近50nm，而当波导层厚度从217nm增加到251nm时，共振波长红移了将近25nm；光栅厚度变化对共振波长和共振线宽影响很微弱，当入射角是垂直入射时仅有一个共振峰，但是当入射角不为0°时会出现两个共振峰，并且两个共振波长随着入射角度的变大一个会蓝移而另一个则红移。该研究为实际制备反射导模共振光栅提供了理论指导。     

光通信C波段硅基导模共振窄带滤波器的模拟

结合严格耦合波理论和遗传算法对C波段硅基导模共振滤波器进行了模拟分析.从模拟结果出发详细讨论了光栅周期、填充因子、光栅深度和入射角度对滤波器反射特性的影响.导模共振对光栅周期、填充因子、光栅深度和入射角度都有很高的敏感性,利用这一特点可以设计性能优异的硅基滤波器件.导模共振滤波器的共振波长峰值反射率达到了98.9%,峰值半高宽小于密集渡分复用(DWDM)O.8 nm的要求.

Abstract：

Simulated are silicon-based guided-mode resonant grating filters with narrow bandwidth for C-band optical communication.The effects of the characteristics of grating period,fill factor,the grating depth,the thickness of SiO_2 layer and incident angle on the reflection mechanisms of the filters are analyzed in detail based on the simulation results.Guided-mode resonant effect is very sensitive to such characteristics,which can be used to optimize silicon-based filters.The reflectance of the resonant wavelength of this filter reaches 98.9%,and the FWHM (full width at half maximum) is less than 0.8 nm limited by the DWDM (dense wavelength division multiplication) system.     

在入射平面内小角度入射一维光栅零级衍射场的简便计算方法

耦合波分析法(RCWA)方法是目前研究光栅衍射最普遍的方法.垂直入射到光栅表面的光使衍射光的正负N级衍射波处于对称状态,使得在RCWA法中原先需要计算2N+1级衍射的2N+1阶矩阵问题降低到计算N+1级衍射的N+1阶矩阵问题.本文将这种对称结构的简化方法推广到非垂直入射、光栅条纹在入射平面内的情况,使得在这种耦合情况下...     

电磁波在光栅表面上反射和衍射的理论研究

本文从严格的场匹配方法出发,对电磁波在矩形截面光栅上的反射和衍射进行了理论研究。对这种光栅作为频率扫描天线的计算显示出,不论满足或不满足布喇格条件,在较宽的角度范围内入射,经调节槽宽和槽深都可获得理想的耀射。对于不满足布喇格条件,在两个互易角中较大的一个入射时,-1次衍射波有较高的效率和较宽的频带。而对这种光栅作为奥罗管中反射镜的特性的理论计算指出,它具有极宽的频带。同时本文还给出了不同频率平面波垂直入射时的等效光栅位置,以及电磁波在光栅表面反射时所引起的相位改变。     

紧凑型光栅外腔可调谐半导体激光器

研制了一台结构紧凑的窄线宽、可调谐半导体激光器.采用光栅外腔Littrow结构,将光栅和平面反射镜置于同一个旋转平台上,并使光栅衍射平面和平面镜反射平面的交线与平台旋转轴重合,通过旋转平台实现光栅外腔选取单纵模、压窄线宽和波长调谐,并保证输出光的方位不发生改变,同时用棱镜将输出光斑压缩成为类方形.该激光器的尺寸为110 mm×80 mm×35 mm,中心输出波长为653 nm,谱宽0.07 nm,调谐范围4.6 nm,可连续稳定运转4小时以上.     

线偏振超高斯光束通过矩形浮雕光栅的传输

利用严格的“逆规则”傅里叶模式理论,研究了超高斯光束在特征尺寸可与波长相比拟的矩形浮雕介质光栅中的传输,分析了光束中心入射角、入射点位置、光束束宽对栅体内光强空间分布及其对称性的影响。最后,数值比较了它们的相对误差为1％时,对光强空间分布形状的影响,结果表明入射点的纵坐标z0的误差可容度最小,束宽ω0最大。     

激光入射角度对车身用镀锌板焊接性能的影响

为了研究激光入射角变化对车身用镀锌板的焊接性能的影响,首先采用正交试验,通过对焊接件外观形貌分析和进行拉剪试验,得出了激光垂直入射时较理想的焊接参量,然后在该理想参量下进行了不同入射角度下的镀锌板焊接试验,分析了入射角改变对焊接件外观形貌、焊缝截面、焊缝板间连接宽度以及所承受的拉剪载荷的影响。结果表明,激光入射角小于30°时焊缝外观形貌良好,能承受较大的拉剪载荷且拉剪试验均断裂在母材区;焊缝板间连接宽度对抗拉剪载荷有重要影响;板间间隙微小变化对临界入射角值有较大的影响。     

布拉格光纤光栅内部能量特性研究

基于耦合模理论并结合边界条件,推导出布拉格(Bragg)光纤光栅前向波和后向波的 表达式。以均匀光纤光栅为例,得出光栅内部能量分布是振荡的。在禁带内,前向波、后向波能量单调递减,其相干迭加能量振荡,振荡周期与光纤光栅周期一致;在禁带边缘及外部,前向波、后向波能量是振荡的,二者相干迭加的能量也是振荡的,且呈包络变化,迭加能量的快变周期亦与光栅周期相同;在禁带边缘及外部,前、后向波振荡周期与包络周期一致,都和入射波长有关,入射波长偏离布拉格波长的程度越大,周期越小;在禁带附近存在前向波能量振幅的极大值;能量振幅随光栅长度的增加而增大。     

光纤激光频谱组束的仿真研究

基于利用透射体布拉格光栅 准直透镜所设计的非相干组束方案,建立了光纤激光组束的理论模型.依据所建模型,对光栅的组束效果进行了分析.结果表明:最佳组束时,不同的光栅厚度须选择不同的光栅参数;随着光栅厚度的减小,满足最佳组束条件的空间频率和折射率调制将逐渐增大;在折射率调制和空间频率不变的情况下,随着光栅厚度的减小,角或谱的选择性逐渐增大;随着光束发散角和光谱宽度的增大,衍射效率逐渐减小.