大面积半导体激光器阵列光束整形研究

在采用大面积半导体激光器阵列进行泵浦时,由于能量密度等因素,必须把泵浦光会聚到很小的面积上.而空心导光管作为一种良好的耦合器件,不仅能够实现匀光缩束的功能,还具有高效、简洁、可控制光斑形状等优点.在阐述了采用Duct进行半导体激光器阵列缩束整形的原理后,通过对Duct近似模型的分析,得到了Duct的优化结构参数,并通过光线追迹得到了Duct输出光斑的特性.     

大发光面积激光二极管堆栈抽运结构

由于半导体激光器(LD)在快轴和慢轴两个方向上发散角的不一致和耦合结构的缩束作用,从耦合结构输出的抽运光在经过空间传播后会发生劣化而降低效率.而通过调整激光二极管抽运堆栈结构中激光二极管阵列(LDA)的排布方式,可以改善耦合结构出口后一定距离处光场的空间分布,从而更好地保证抽运光与信号光的匹配.在通过对耦合结构出口的光场追迹分析后,得到了激光二极管堆栈(LDS)排布结构对耦合结构出射光空间分布特性的影响.通过某工程的实验验证,得到了良好的输出光斑和接近90%的传输效率.     

大口径激光二极管阵列端面抽运耦合系统设计模拟

根据光线追迹原理,研究用于端面抽运的大面阵激光二极管(LD)抽运源的耦合系统设计。结合当前大口径激光二极管阵列常用的空心导管型耦合系统,分别从耦合效率、抽运强度分布、抽运光传输等方面,讨论大口径激光二极管阵列耦合系统的一般设计准则,提出了将激光二极管阵列单元平面排布改为球面排布的办法。针对100 kW激光二极管阵列,将子阵列作球面排布后,仅用一空心导管来汇聚抽运光,这种设计获得了传输性能优良的大区域均匀分布的抽运场,抽运场起伏小于5%,抽运强度大于20 kW/cm2,耦合效率98%,有效抽运区域内效率达90%。     

小型激光二极管面阵的柱透镜耦合系统

利用三维光线追迹的方法,对小型激光二极管面阵的柱透镜耦合系统进行数值模拟研究.利用三个尺寸完全相同的柱透镜,将发光面积为10 mm×8mm的激光二极管面阵输出的432 W连续泵浦光耦合至φ5 mm泵浦区域内,在不考虑柱透镜衰减的前提下,在±5 mm的景深范围内,耦合效率超过96%,有利于激光介质对泵浦光吸收.     

空心透镜导管的模拟与设计

采用大口径、高功率激光二极管(LD)阵列的大型全固化二极管抽运激光系统(DPSSLs)能够产生高功率、大能量、高重复频率的优良激光。为了实现对介质的高效抽运，将空心透镜导管应用于大口径高功率激光二极管阵列耦合系统。基于三维光线追迹的数值计算方法，编制了LD纵向抽运耦合系统模拟软件，对空心透镜导管进行模拟与设计，使系统耦合效率超过90％的同时，增益介质表面抽运场具有良好的均匀性，实现了对介质的高效均匀抽运；同时通过改变空心透镜导管的参数进行模拟比较，得出了空心透镜导管设计的经验公式，为大型DPSSLs耦合系统的设计提供了有益的参考。     

LDA端泵浦固体激光器的耦合系统-空心导管的设计

对高效的用于面阵激光二极管阵列(LDA)的光学耦合系统一空心导管进行了系统地研究。用光线追迹方法描述了空心导管的传输特性,并与透镜导管做了比较。结果表明,面阵LDA出射的空间非连续分布的激光束通过空心导管后在近场可以获得近高斯型光场分布,空心导管不仅兼具透镜导管的特性,而且克服了透镜导管的缺陷,其传输效率为93％。     

基于偏振复用技术的激光二极管光纤耦合方法

光纤耦合输出的高功率激光二极管(LD)模块作为光纤激光器的抽运源已经得到了广泛应用。为了进一步提高光纤耦合激光二极管输出功率,提出了利用激光二极管输出光束的线偏振特性,采用偏振复用技术,将两只高功率激光二极管输出光束经准直、复合、聚焦的光纤耦合方法。利用光线追迹法,分析了圆柱透镜对激光二极管发散光束的准直特性,并讨论了柱透镜的安装距离对准直性能的影响。根据激光二极管和光纤的相关参数设计了聚焦透镜组。采用这种方法将两只输出波长为980 nm的高功率激光二极管输出光束耦合进数值孔径0.22,芯径100μm的多模光纤中,当工作电流为4.5 A时,光纤激光连续输出功率为6.36 W,耦合效率大于78%。     

激光二极管的自聚焦透镜耦合理论与设计

分析了自聚焦透镜对激光二极管(LD)远离透镜主轴的大发散角光束的耦合公式,利用光线追迹法得到了用自聚焦透镜耦合时自聚焦透镜各个参数对耦合结果的影响,从而得到了获得较小聚焦光斑时的自聚焦透镜的最佳参数及在测量面上的相对输出光强分布。为利用自聚焦透镜耦合大发散角的激光二极管光束提供了参考依据。     

微柱阵列和两种透镜导管耦合系统的三维光线追迹与设计

微柱阵列和透镜导管组成的耦合系统在激光二极管阵列(LDA)抽运的全固态高能量激光器中起着重要的作用,其光束耦合性能直接影响激光器的最终输出能量和光束质量。为了设计微柱阵列和透镜导管耦合系统的最佳结构参数,需要研究抽运光在耦合系统内部以及在激光晶体端面的分布。利用几何光学理论,对LDA的发射光线经微柱阵列和透镜导管的传输进行三维空间追迹,并计算其能量传输效率和光束整形效果。比较了六面体导管和渐细圆台形导管的耦合性能。仿真分析结果表明,六面体导管需要长度较大,能量传输效率略高,而圆台形导管可以较短,耦合整形后的光斑更接近圆形。     

激光二极管阵列侧面对称抽运薄片激光器

对激光二极管(LD)阵列5向侧面对称抽运Nd∶YAG薄片激光器进行了实验和模拟研究。薄片激光器的耦合系统由消像差透镜组和空心光波导组成,采用15mm×1.5mm的Nd∶YAG薄片进行初步实验,实验得到薄片激光器的激光输出平均功率为65.7W,光-光转换效率为10.5%,同时增益介质内具有较理想的荧光分布。同时考虑激光二极管在快轴和慢轴方向的发散特性及增益介质侧面的散射特性,采用光线追迹法,模拟并分析了增益介质内抽运光分布,模拟结果表明耦合系统具有88.3%的耦合效率,同时增益介质内具有较理想的抽运光分布,且与实验结果相吻合。     

Spherical distribution structure of the semiconductor laser diode stack for pumping

A semiconductor laser diode stack is used for pumping and 8 semiconductor laser diode arrays of the stack are put on a sphere,and the output of every bar is specially off-axis compressed to realize high coupling efficiency.The output beam of this semiconductor laser diode stack is shaped by a hollow duct to the laser active medium.The efficiency of the hollow light pipe,which is used for semiconductor laser diode stack coupling,is analyzed by geometric optics and ray tracing.Geometric optics analysis diagnoses the reasons for coupling loss and guides the design of the structure.Ray tracing analyzes the relation between the structural parameters and the output characteristics of this pumping system,and guides parameter optimization.Simulation and analysis results show that putting the semiconductor laser diode arrays on a spherical surface can increase coupling efficiency, reduce the optimum duct length and improve the output energy field distribution.     

全固化激光器中的耦合系统—透镜导管的简化设计

用几何光学的方法计算了竭地管的慢轴和快轴方法的光束分布，结果表明，用于固体激光器泵浦的高功率激光二极管阵列的连续分布的激光束通过透镜导后可以获得平滑面均匀的光场分布，基于这种分布，我们设计了两种结构的透镜导管，用激光二极管阵列实验测得未镀抗反膜的透镜导管的耦合效率高达８４％。     

基于衍射/反射光束整形系统的高密度泵浦源

利用二元光学元件微型化和对波面进行任意整形的特点,将二元光学衍射器件用于高功率激光二极管阵列光束的快、慢轴准直,并结合空心导管设计一种衍射/反射混合型光束整形系统,用于实现高密度、高均匀性LD泵浦源.应用时域有限差分法(FDTD)的严格矢量分析表明:所设计的二元光学准直器性能优良,准直后光束发散角在误差范围内接近衍射极限,慢轴方向衍射效率为82.21%,快轴方向为75.76%.模拟设计的结果表明:采用这种衍射/反射光束整形技术的高密度泵浦源能获得高功率密度和高均匀性的抽运光束,在空心导管出射端面附近光强起伏RMS<1%,并且在光束的准直性能和系统紧凑性方面优于传统整形方法.     

准连续17 kW 808 nm GaAs/AlGaAs叠层激光二极管列阵

高功率激光二极管列阵广泛应用于抽运固体激光器.报道了17 kW GaAs/AlGaAs叠层激光二极管列阵的设计、制作过程和测试结果.为了提高器件的输出功率,一方面采用宽波导量子阱外延结构,降低腔面光功率密度,提高单个激光条的输出功率,通过金属有机物化学气相沉积(MOCVD)方法进行材料生长,经过光刻、金属化、镀膜等工艺制备1 cm激光条,填充密度为80%,单个激光条输出功率达100 W以上;另一方面器件采用高密度叠层封装结构,提高器件的总输出功率,实现了160个激光条叠层封装,条间距0.5 mm.经测试,器件输出功率达17kW,峰值波长为807.6 nm,谱线宽度为4.9 nm.     

LD阵列封装误差对空心导管均匀性的影响

为了提高空心导管激光二极管(LD)抽运耦合系统的性能,采用理论分析和ZEMAX仿真模拟的方法研究了LD阵列封装误差对空心导管抽运耦合系统均匀性的影响.研究发现,当LD阵列中子光束经过空心导管后分割和叠加次数越多时,光束指向误差对空心导管的均匀性影响越小.在此基础上提出了空心导管LD抽运耦合系统的设计中对LD阵列光束准直的原则.结果表明,根据实际情况决定LD阵列中快慢轴方向准直后发散角的大小,以保证快慢轴方向的光束经过空心导管后能够有适当的反射和叠加次数,从而实现较高的耦合效率和抗LD阵列封装误差影响的能力.该研究可用于指导该类空心导管LD抽运耦合系统的设计.     

High-power high-efficiency quasi-CW Sb-based mid-IR lasers using1.9-μm laser diode pumping

Power efficiency is a critical issue for mid-infrared (mid-IR) semiconductor lasers. Previously, the highest power and efficiency 4-μm laser was pumped with 0.98-μm laser diode. This letter used 1.9-μm diode pumping for better quantum defect ratio and heat flow geometry. A 3.7-μm InAsSb-AlAsSb laser yielded a pump-power-limited 1.25-W single-ended output in 1-ms-long pulse with 6.5% net optical-to-optical efficiency, in contrast with a 0.67-W thermally limited output and 2.7% efficiency with 0.98-μm diode pumping, at 70 K. The results are believed to represent the highest quasi-continuous-wave power from a single device, highest efficiency, and, scaled to the emitting aperture, highest power density for any 3-4-μm semiconductor laser for 1-ms pulse and ⩾70 K     

880 nm LD泵浦Nd:GdVO4 混合腔激光器1.34 μm实验研究

将880 nm 上能级直接泵浦与部分端面泵浦混合腔结构结合,对Nd:GdVO4 晶体的1 342 nm激光输出特性进行了实验研究。采用正支离轴混合谐振腔,4-bar 中心波长为880 nm 的激光二极管列阵作为泵浦源,在泵浦功率为178W 时,激光输出功率为26.3W,斜效率和光-光转换效率分别为27%和14.8%。在20W 输出功率时非稳腔和稳腔方向的M2因子均为1.3。结果表明:由于采用了上能级直接泵浦与部分端面泵浦混合腔结构,相对于目前同等输出功率级别的端面泵浦Nd:GdVO4 激光器,光束质量得到很大提高。     

高转换效率二极管激光器泵浦固体激光器

用两种泵浦光学系统对激光二极管输出光束的空间分布整形.研究了不同椭圆度和准直度的泵浦光束对Nd:YAG激光特性的影响.当椭圆度和准直度明显改善时.使泵浦光束在激光棒的整个长度上与激光腔模空间重迭度增大.泵浦功率密度提高.激光阈值下降.激光转换效率大幅度提高.泵浦功率为2.42W时,1064nm输出功率为1.13W.斜率效率为50%.并比较了两种不同浓度晶体的效率.