关于激光光束质量若干问题的分析

从M2因子概念出发,对高功率激光(典型例为惯性约束聚变驱动器中传输的激光和高功率激光的空间输运)的光束质量进行了分析.对高功率激光光束质量定义和测量方法中若干问题也作了讨论.     

高功率激光器的光束控制研究

对强激光光束控制和参数评价等强激光领域的一些理论作了介绍和分析,以平顶高斯光束(FGB)为例,推导出了它通过无光阑和有光阑的近轴ABCD光学系统传输的解析表达式.阐述了几种实用光束传输变换的方法,总结了影响强激光光束质量的主要因素.以高功率激光的应用需求为背景,研究高功率激光的光束传输变换、光束质量评价和光束控制问题,为相关领域应用提供理论基础和计算依据.     

激光的参数描述和光束质量

激光光束质量是一个很有现实意义的论题。对实际激光,一方面或多或少存在硬边光阑光学元件影响。另一方面,人们常对远场激光束的可聚焦能力感兴趣。对有光阑情况时光束传输因子(M^2因子)的推广作了讨论。对有代表性的3种方法,即广义截断二阶矩法、渐近分析法和自收敛束宽法及其应用作了分析。引入了桶中功率(PIB)和β参数用以描述远场光束质量。然后,研究了实际应用对激光光束质量的一些要求和相关的评价参数。最后,讨论了复杂的高功率激光系统的全程光束质量控制问题。     

高峰值功率脉冲激光的光纤传能特性

实验研究了光纤传输调Q Nd:YAG高功率脉冲激光特性,包括光纤的传输效率、输出光束特性、输出光斑能量分布以及激光诱导损伤特性.得出的主要结论为:光纤传输高峰值功率激光引起受激拉曼散射(SRS)和受激布里渊散射(SBS)的产生是导致传输效率下降的主要原因;光纤输出光束束腰位置为输出端面,发散角略大于入射角,光束质量下降,输出光束截面光斑能量分布"匀化":光纤的端面激光损伤限制了传输激光功率的提高,其主要损伤相貌分为一坑状损伤、熔融损伤和溅射损伤,实验得出光纤端面的激光零损伤概率阈值功率密度为3.85 GW/cm2.     

光纤耦合器回波损耗研究与测试分析

应用高功率半导体激光器分别与7×1和(6+1)×1光纤耦合器相结合,通过全光纤式光束合成技术,测试了高功率光纤耦合器回光功率.分析比较两种高功率激光传输型光纤耦合器的激光回光功率在输入光纤端面直径、输出光纤末端纵向角度和光纤耦合器腰束纤芯结构等物理因素对回波损耗的影响.     

阵列合成激光束在湍流大气中传输的研究进展

多路激光束合成是获得高功率和高能量激光输出的有效途径,因此,多年来光束合成方法和技术得到了广泛的关注和深入研究。近年来,随着空间光通信和激光传播工程等应用需求的发展,合成光束在湍流大气中的传播过程及其规律研究也逐渐成为光传播研究领域的热点问题。针对多种典型激光阵列合成光束,首先对比分析了广义Huygens-Fresnel原理、Rytov微扰近似以及随机相位屏数值模拟等方法在激光阵列合成光束大气传输研究中的应用;其次,阐述了合成光束传播应用研究中的桶中功率、衍射极限倍数 、 因子、光束传输因子等光束质量评价因子的评价作用;最后,根据阵列合成激光束的研究现状和成果,提出了应进一步深入研究的问题。     

光纤传能特性研究

为了获得光纤传输高功率脉冲激光的主要特性,对光纤传能进行了理论分析和实验研究.结论是:光纤宏观弯曲对传输效率有比较明显的影响:光纤的芯径、数值孔径(NA)、长度等指标对高功率激光传输效率有很大影响;当传输激光功率大于某个闽值后,光纤内产生的受激拉曼散射(SRS)和受激布里渊散射(SBS)影响激光能量输出;光纤的端面质量限制了传输激光功率的提高,根据ISO11254(光学元件表面激光诱导损伤的光学测试方法)得出光纤的激光零损伤概率阈值可以达到58.6J/cm2;光纤输出光束截面能量分布被匀化.     

高效高功率侧面抽运腔内倍频连续绿光激光器

激光二极管(LD)侧面抽运的内腔倍频激光器技术是实现高功率、高稳定且低成本连续绿光激光器的有效方法。为满足激光彩色显示、激光加工、数据存储、医疗卫生和科研等领域对连续绿光激光器的需求,研制了一台高效、高功率侧面抽运腔内倍频Nd∶YAG/KTP连续绿光激光器。采用优化的平-凹-平三镜折叠腔结构,Ⅱ类相位匹配KTP晶体内腔倍频,当808 nm激光二极管抽运功率约为180 W时,得到最高18.7 W的连续绿光激光输出,对应的光-光转换效率为10.4%。在输出功率15.4 W时测量激光功率稳定性,其功率不稳定度小于0.5%。输出光束平滑,远场为类高斯分布,用刀口法测量了激光器不同输出功率时的光束质量,光束传输因子M2小于7。     

激光非均匀性和内光路热效应对远场特性的影响

高功率高能激光在光束控制系统(或称为内光路)中的传输距离比长程大气传输要短得多，但高功率密度的激光束在通过内光路时的热效应对远场光束质量会有显著影响。采用自编的四维仿真程序，详细计算了沿x方向呈线性变化的环状高功率激光束通过内光路的传输。用像散参数、桶中功率(PIB)和峰值光强位置描述了远场光束质量。研究表明，内光路的热效应(热晕)使得光束的峰值光强和可聚焦能力下降，降低了远场的光束质量，初始光束的非均匀性会影响光束的可聚焦能力并引起像散。值得指出的是，热晕是一种非线性效应，会影响光强分布和引起远场峰值光强位置的移动，对此给出了物理诠释，并用数值计算证实了物理分析。     

对激光光束质量一些问题的认识

从对激光光束质量研究进展开始，讨论了在傍轴和非傍轴范畴内激光光束质量的一些问题，主要是非傍轴光束的光束质量评价。光束传输的非傍轴矢量二阶矩理论可用于计算多种非傍轴光束的M2因子，但对M2因子的物理解释却有困难。例如，在非傍轴范畴，M2因子依赖于束腰宽度与波长之比，并可小于1。但远场发散角之值可趋于90°，这将导致很大的M2因子值。另一方面，若将公式中的光强用时间平均坡印廷矢量z分量代替，桶中功率(PIB)，或等价地，?茁 参数可推广用于评价非傍轴光束的远场光束质量。PIB表征了光束功率的可聚焦能力，是一种简明、直观评价不同激光光束的方法。然而，在?茁参数的公式中的束宽是按功率含量百分比定义的，因此双曲线传输规律不再严格成立。     

强激光传输变换和光束控制研究的进展

文中对强激光的描述、传输变换和聚焦特性,以及强激光光束质量控制和参数诊断等强激光领域的一些新进展作了评述和分析,给出了强激光在含有空间滤波器的多程放大器中光束传输的典型数值模拟流程图,并以数值计算实例加以说明.     

光束控制系统中热效应的数值模拟

编制了四维仿真程序,用以研究光束控制系统中的热效应对强激光传输的影响.作为数值模拟例,用Strehl比、可聚焦能力(即86.5%环围功率半径)、像散参数和光束重心偏移表征远场光束质量,研究了初始场分布为高斯和平顶分布的光束通过光束控制系统传输时热效应对远场光束质量的影响.结果表明,远场光束质量与初始场的空间分布有关,且随发射功率增大而变差.     

Bessel beams from semiconductor light sources

We report on recent progress in the generation of non-diffracting (Bessel) beams from semiconductor light sources including both edge-emitting and surface-emitting semiconductor lasers as well as light-emitting diodes (LEDs). Bessel beams at the power level of Watts with central lobe diameters of a few to tens of micrometers were achieved from compact and highly efficient lasers. The practicality of reducing the central lobe size of the Bessel beam generated with high-power broad-stripe semiconductor lasers and LEDs to a level unachievable by means of traditional focusing has been demonstrated. We also discuss an approach to exceed the limit of power density for the focusing of radiation with high beam propagation parameter M². Finally, we consider the potential of the semiconductor lasers for applications in optical trapping/tweezing and the perspectives to replace their gas and solid-state laser counterparts for a range of implementations in optical manipulation towards lab-on-chip configurations.     

Structural and compositional control of the output wavelength of very high power 0.98 mu m GaInAs lasers for pumping fiber amplifiers

The authors report on the design, fabrication, and characterization of high-power strained-layer (SL) InGaAs single-quantum-well (SQW) lasers. The lasers emit a 0.980+or-0.002 mu m. They deliver over 100 mW CW optical power at room temperature in a stable single lateral mode with a beam divergence of 15 approximately=20 degrees . The maximum CW output power measured is 265 mW. The lasers have been successfully used as pump sources for an erbium-doped fiber amplifier.<>     

新一代大功率固体板条激光器的技术进展

介绍了固体板条激光器为了获得大功率和高光束质量而采用的新技术,阐述了新一代大功率固体板条激光器的最新进展,分析了新一代大功率固体板条激光器的技术特点,并对其应用前景进行了展望.     

Improvement of kink and beam steering characteristics of 0.98-μmGaInAs-GaInP high-power lasers utilizing channel ion implantation

We demonstrate a kink and beam steering free operation of 0.98-μm GaInAs-GaInP high-power ridge waveguide (RW) lasers utilizing channel ion implantation. The ion-implanted regions along the both sides of the ridge effectively suppressed the excitation of higher order lateral modes, which causes beam steering and kink. The maximum power without beam steering and kink has been achieved over 250 mW for channel ion-implanted RW lasers with 1.8-3.7-μm ridge width, compared to 120-mW maximum power without the channel ion implantation     

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.     

High brightness spectral beam combination of high-power vertical-external-cavity surface-emitting lasers

High brightness spectral beam combination of two high-power vertical-external-cavity surface-emitting laser (VECSEL) using volume Bragg grating in a photo-thermo-refractive (PTR) glass is demonstrated. High efficiency beam combination in excess of 90% is achieved, providing an efficient method for power scaling of diffraction limited beam. The beam quality of each starting lasers was 1.68 and 1.35, and that of combined beam was 1.9. Scaling opportunities based on the parameters of VECSELs and PTR Bragg gratings are discussed.