面向定向能应用的光纤激光谱组束系统设计

针对定向能激光武器系统对结构紧凑的高功率、高质量光纤激光源的需求,提出了一种新颖的基于凹面光栅的光纤激光谱组束方案。该系统可将组束激光直接聚焦到目标点,且可以根据目标点位置的不同,通过对各组束阵元输出端位置的实时调整,实现对目标的灵活跟踪。分析了基于凹面光栅光纤激光谱组束系统的工作原理,设计了用于组束的闪耀光栅结构的凹面光栅,阐述了系统实现目标跟踪的原理。根据目标点位置的不同,通过调整系统状态,可使该系统适应不同目标距离的应用需求,非常适于激光定向能系统应用。     

基于双光栅的光纤激光光谱合成关键技术研究进展(特邀)

基于双多层电介质膜（MLD）光栅色散补偿构型设计的光谱合成激光器（SBC）既实现了多路光纤激光高光束质量共孔径合束输出,又降低了单路光纤激光的线宽要求,逐渐成为多纤光谱合成的重要技术途径之一。介绍了基于双MLD光栅光谱合成的基本原理,简要分析了其涉及的关键技术。回顾了高功率可合成窄线宽光纤激光器、高功率高效率短波长光纤激光器、大色散高衍射效率MLD光栅和高集成度密集组束等主要关键技术的研究进展。介绍了中国工程物理研究院应用电子学研究所在基于双MLD光栅光谱合成关键技术研究方面的最新研究进展。对双MLD光栅光谱合成光源的发展潜力进行了展望。     

Sinc切趾反射体布拉格光栅衍射特性分析

基于sinc切趾反射体布拉格光栅的谱合成技术是获得高功率谱合成输出的有效方法。考虑到入射单色平面波光束的偏振状态,采用传输矩阵法,分析了光栅参数对衍射效率、波长选择性和角度选择性的影响。计算结果表明,入射角度对不同偏振状态入射光束的衍射效率影响较大。sinc切趾反射体布拉格光栅的衍射效率近似由光栅厚度和折射率调制幅值的乘积决定,当折射率调制幅值与光栅厚度的乘积大于1.7028×10-6时,不同偏振态在小角度入射时的衍射效率高于99%。sinc切趾反射体布拉格光栅的波长选择性带宽和角度选择性带宽随折射率调制幅值的增加而增大,随衍射效率的增加而减小。通过优化光栅参数,利用sinc切趾体布拉格光栅可实现光谱间距低于200 pm的多光束谱合成。     

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.     

光纤激光器光谱合束技术综述

对实现高功率、高光束质量输出的光纤激光器光谱合束技术进行了综述。针对体布拉格光栅合束和多层介质膜光栅合束两种技术方案进行介绍,从合束原理、高功率窄线宽光纤激光器单元、光栅器件以及合束方案等方面进行分析。同时,针对近年来国内外在光纤激光光谱合束技术领域的发展也进行了归纳性的介绍。     

光纤激光外腔频谱组束的实验研究

实验中采用激光二极管作为泵浦源、大模面积Er3+Yb3+共掺双包层光纤作为增益介质,利用傅里叶变换透镜、闪耀光栅和输出耦合镜组成的外腔结构,实现了两路Er3+Yb3+共掺双包层光纤激光器的频谱组束。在单路光纤激光器的最大输出功率为520 mW和545 mW、光栅衍射效率为80%的条件下,获得了690 mW的组束功率,组束效率为65%,同时对组束激光的光束质量进行了评估。测得水平和垂直方向的光束质量因子分别为M2x=1.592,M2y=1.335。     

基于凹面光栅的光纤激光谱组束系统设计

光纤激光谱组束技术是实现大功率、高质量光纤激光输出的有效手段。在传统的外腔谱组束系统中,离轴阵元的效率下降限制了其组束潜力;在基于PTR布拉格光栅的谱组束系统中,随着组束阵元数目的增加,系统复杂程度、体积和重量随之增大,限制了其应用范围。针对当前谱组束系统中存在的诸多问题,采用凹面光栅作为色散元件构建新的谱组束系统。凹面光栅同时具有衍射分光和聚焦的功能,应用于谱组束系统中不仅可以解决离轴阵元效率下降问题,而且降低系统的复杂程度,有利于输出稳定性的提高。     

基于透射体布拉格光栅频谱组束的实验研究

基于透射体布拉格光栅频谱组束的设计方案,采用半导体激光器作为泵浦源,以双包层Er3+/Yb3+共掺光纤为增益介质,报道了两束光纤激光频谱组束的实验结果.作为一种激光合成方法,在两束光纤激光输出功率分别为0.48 W和0.71 W、光栅实际衍射效率不到40%的情况下,实现了组束功率为0.56 W,绝对组束效率约为47%的组柬激光输出.并分析了实验过程中影响组束效率的因素.     

利用不等间隔方法提高非相干组束的衍射效率

文章采用不等间隔方法,使得衍射效率高的部分占有较多的组束激光束,在光栅频率f=200mm-1,光栅厚度t=2mm条件下,不等间隔组束方法下的系统平均衍射效率较等间隔方法升高14%.     

光纤激光的频谱组束技术

频谱组束具有结构简单、便于控制等特点,是实现大功率、高质量光纤激光输出的有效手段.介绍了利用光栅、变换透镜等元件进行光纤激光频谱组束的基本结构和原理.综述了光纤激光频谱组束技术的最新进展情况,包括MOPA结构的频谱组束、三光栅结构的频谱组束和基于PTR布拉格光栅的频谱组束;比较分析了各种组束方法的优缺点.分析了当前频谱组束技术要解决的关键问题并展望了其发展前景.     

Gaussian切趾体光栅在光谱合成中的应用研究

为了研究切趾技术对体光栅旁瓣的抑制效果及切趾体光栅的光谱合成特性,采用Gaussian切趾技术对体光栅旁瓣进行了抑制,并用传输矩阵法分析了Gaussian切趾体光栅的衍射特性,给出了Gaussian切趾体光栅光谱合成效率公式,分析了切趾光栅对光谱合成效率影响;切趾后体光栅旁瓣对应的前4级峰值衍射效率由73%,47%,31%,22%降低到11%,20%,10%,7%。合成路数和光束光谱宽度一定时,合成效率随衍射损耗的增大而减小。结果表明,Gaussian切趾技术能够有效抑制体光栅旁瓣,进而减小体光栅对相邻合成光束的衍射损耗,增大合成效率。     

高功率窄线宽光纤激光的研究进展与发展趋势

高功率窄线宽光纤激光器具有光束质量好、结构紧凑等优点,在相干合成、光谱合成以及非线性频率变换等领域具有广泛的应用前景,基于窄线宽光纤激光相干合成、光谱合成的激光系统性能指标已经超越单束激光的最高性能,基于窄线宽光纤激光非线性频率变换的激光也实现了同类波段激光的最高性能。分析窄线宽光纤激光功率提升同时保持光束质量过程中产生的物理机制和面临的技术挑战,详细介绍学校课题组在高功率窄线宽光纤激光方面取得的代表性成果,特别是高光束质量的7 kW级非线偏振窄线宽激光和5 kW级线偏振窄线宽激光,不仅是同类激光的最高功率值,也逼近了同等条件下非窄线宽光纤激光的功率极限。根据近年来理论研究和技术攻关结果,结合国内外研究现状,对高功率窄线宽光纤激光未来几个发展趋势进行预判。     

光谱合束二向色镜反射率及合束效率仿真研究

为了研究合束效率与二向色镜的反射性质之间的关系，通过建立多层膜系粗糙表面反射模型，采用模拟仿真的方法对用于光谱合束的大陡度二向色镜反射率曲线进行了计算分析，结合光纤激光器光谱曲线得到了合束效率的仿真结果。对不同角度二向色镜表面面形与反射率、合束效率的关系进行了分析，对二向色镜合束系统的稳定性进行了模拟讨论，并对二向色镜的部分参量提出了要求。结果表明，使用小角度二向色镜可以获得10kW以上的输出功率，合束效率达97%。这一结果对二向色镜参量的提高是有帮助的。     

基于透射体布拉格光栅频谱组束的研究

分析了透射体布拉格光栅实现两束不同波长光束频谱组束的条件.基于耦合波理论,推导了透射体布拉格光栅的衍射效率方程,获得了优化的组束设计条件,提出了使用凸透镜控制光束入射角的方法.建立了组束的理论模型,分析了光栅参数对衍射效率的影响.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;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,谱选择性逐渐增大;随着光束发散的增大,光栅的衍射效率逐渐减小.     

激光相干合成的研究进展:2011—2020

本文回顾了过去10年激光相干合成领域取得的重要进展,总结了可合成激光模块性能提升的标志性成果,梳理了相干合成使能技术取得的重要突破,展示了不同类型激光相干合成取得的成果及其多样化应用,并对激光相干合成领域的发展进行了展望。     

反射型体光栅高效频谱组束仿真研究

文章建立了光纤激光频谱组束的体光栅参数优化模型。研究结果表明,随着体光栅空间频率和折射率调制量的增大,体光栅所允许的光束谱宽减小,光束发散角增大,得到空间频率和折射率调制量优化选择参数。文章还对所选取的体光栅参数进行频谱组束的效率进行了分析。研究表明,采用优化参数的体光栅的频谱组束效率可提高至95%以上。     

微透镜阵在光纤激光外腔谱组束中的应用研究

提出了基于微透镜阵的光纤激光外腔谱组束方案,设计了能够对光纤阵列出射光束进行预准直的球面折射微透镜阵列.分析了组束系统的组束潜力,结果表明,所设计的组束系统能够实现12个Er3+/Yb3+共掺光纤激光器阵元的外腔谱组束.利用瑞利-索莫菲衍射积分理论,分析了微透镜对光纤出射光束的准直效果,结果表明,微透镜的实际焦距与设计...     

高亮度半导体激光器无输出耦合镜光栅外腔光谱合束

宽面发射半导体激光器的光谱合束技术对发展高功率直接半导体激光光源具有重要意义。光栅外腔光谱合束基于光栅的波长选择特性和外腔半导体激光技术,实现单个合束单元的光谱锁定和所有合束单元的合束输出,输出光束质量与单个合束单元相当,而亮度和功率得到很大的提高。基于无输出耦合镜光栅外腔光谱合束结构,实现了单个半导体激光短阵列的光谱合束,分析了光谱合束的输出光谱、输出功率和光束质量的特性,获得了70 A工作电流下40.8 W的连续输出功率,快轴和慢轴方向的光束质量分别为0.41 mmmrad和9.16 mmmrad （包含95%能量）,相应的电光转换效率为38.4%,亮度高达67.90 MW/（cm2sr）。     

低反光纤光栅对光纤激光器光谱展宽影响研究

光纤激光器中的自相位调制(SPM)以及低功率下的空间烧孔效应(SHB)会导致输出光谱展宽。分析了SPM、SHB导致光谱展宽的理论模型,讨论了低反光纤光栅(OC)的带宽与反射率对激光器输出光谱展宽的影响。实验研究了不同输出功率下激光器输出光谱随OC带宽及反射率的变化关系。结果表明减小OC带宽能够有效减缓SPM、SHB导致的输出光谱展宽;减小OC反射率能降低SPM导致的输出光谱展宽速度,却促进了SHB导致的光谱展宽;但相同改变量的情况下,OC带宽所带来的影响较反射率更为显著。实验结果与理论分析一致,对光谱合束及窄线宽高功率光纤激光器的设计与应用具有重要意义。     

基于微透镜阵外腔的光纤激光谱组束耦合效率分析

为了克服光纤激光外腔谱组束系统中增益带宽和透镜像差对组束阵元数量的限制,在系统中加入了微透镜阵。根据光束变换理论,建立了基于微透镜阵的光纤激光外腔谱组束系统的外腔耦合效率分析模型。通过数值模拟,对各种相关参数对耦合效率的影响进行了仿真分析。结果表明:微透镜阵的加入极大提高了阵元的耦合效率和系统的组束潜力;为了获得尽可能高的耦合效率,需要对离焦量进行合理配置并设计具有较长焦距的微透镜;横向对准误差是影响耦合效率的主要因素,对于宽度为10 mm的组束光纤阵列,为保证60%以上的耦合效率,在θy≤2 mrad的同时需将横向位置偏移量δy限制在10μm以内。