万瓦级激光光闸耦合失效的安全控制方法

为了解决万瓦级激光光闸耦合效率实时监测的难题, 采用通过实时探测光闸输出端工作光纤内部的后向散射光来监测耦合效率从而防止其耦合失效的安全控制方法, 仿真并建立了耦合偏差与后向散射光光强信号之间的映射规律与模型, 并基于此设计了相应的光闸耦合失效的安全控制系统。结果表明, 高功率激光光闸在安全控制系统的保证下能长期承载12kW以上功率, 并且耦合效率稳定在98%以上, 证明了该方法的有效性。该研究可以保证万瓦级激光光闸长期工作的高效性、稳定性及安全性, 促进我国激光制造领域关键部件的自主化。     

光束质量超过全固态激光器的千瓦直接半导体激光器

介绍了采用多波长耦合和偏振耦合的方式实现千瓦级高功率半导体激光输出的方法.通过光束整形的方法,实现了快慢轴光束参数积对称化,激光器输出激光光束质量小于12 mm·mrad,超过了全固态激光器的光束质量;激光器光-光转换效率达到87.5%.并通过智能化控制,实现了不同波长、不同功率、不同脉冲宽度的激光输出.     

千瓦级纤维激光器技术

文中介绍了千瓦级光纤激光器,光结激光器抽运光通过光纤纤芯端面耦合,由于纤芯端面面积太小,使高功率二极管抽运光束无法注入,输出功率限制在几十毫瓦。双包层结构使输出功率提高了几个数量级,但不超过几十瓦,光纤嵌入式激光器或任意形状激光器能提高输出功率,使千瓦级激光器得以实现。     

高功率半导体激光泵浦碱金属蒸汽激光器的理论模拟

半导体泵浦碱金属蒸汽激光器(DPALs)作为一种新型激光器,综合了半导体激光泵浦技术和碱金属蒸汽工作物质的优点,有望实现高功率、高效率、高光束质量的连续激光输出.通过基于速率方程理论构建的理论模型,对超高功率半导体激光器的运行状况进行了计算机模拟.理论模拟表明,从半导体泵浦碱金属蒸汽激光器获得连续输出百千瓦级激光输出是可行的,并且可以保证很高的斜率效率和很好的光束质量.该种超高功率激光器可以满足航空航天等领域中对超大功率近红外激光光源的需求.     

高功率侧面抽运耦合器及其应用研究

抽运耦合器是高功率光纤激光器的关键无源光器件,可以将多路抽运光高效率地耦合进双包层光纤中,从而为光纤激光器提供所需的抽运功率,所以抽运耦合器是研制高功率光纤激光器首先要解决的问题。采用氢氧焰熔接方法,研制了一种高功率侧面抽运耦合器,在最大抽运功率为100 W时,耦合效率94%,信号光插入损耗0.15 d B,附加损耗0.2 d B,主光纤分光比99%,方向性22.5 d B。利用该耦合器搭建了百瓦级光纤激光器,当总抽运功率为185 W时,在1080 nm处获得的激光输出为103 W,光-光转换效率为56%。该高功率侧面抽运耦合器可用于输出功率为百瓦级和千瓦级的高功率光纤激光器。     

2 kW抗反射振荡-放大一体化光纤激光器

提出了一种新结构全光纤激光器。采用振荡-放大一体化结构,有效抑制了反射激光对光纤激光器稳定性的影响,实现了高效率、高功率和高光束质量的输出。实验搭建了光纤激光器系统,实现了大于2kW的输出,抽运光和输出光之间的转换效率为81.6%,光束质量M~2因子优于1.4。采用高反射金属材料验证了该激光器的抗反射性能,激光器在满功率输出下,能够长时间稳定工作。     

高功率光纤激光器包层光滤除器的温度场研究

双包层光纤激光器输出光中的包层光严重影响了激光的光束质量、光谱特性以及激光器的可靠性和稳定性,有效滤除包层光是双包层光纤激光器工程化的一个重要环节。对高功率包层光滤除器的热效应进行了理论与实验研究,利用ANSYS中流体动力学模块仿真分析了高功率包层光滤除器的温度场分布,在15~600 W的包层光滤除功率下进行了实验验证,在此基础上仿真优化了千瓦量级功率的包层光滤除器。优化后滤除器温度下降近46℃,可稳定工作在80℃左右。     

激光二极管抽运Nd∶YAG双薄片激光器

激光介质的热效应是高平均功率固体激光器面临的最大挑战,采用薄片激光介质是解决热效应的有效手段之一。当在抽运区尺寸远大于薄片厚度并且抽运光均匀分布的条件下,热流近似为沿厚度方向的一维分布,从而大大降低介质的热透镜效应和热致应力双折射。设计了四通光学耦合系统,通过提高二极管激光器阵列输出激光强度分布的均匀性,并优化经微柱透镜准直后光束的发散角,实现了抽运光的近平顶分布。采用两片1 mm厚的Nd∶YAG薄片激光介质,在两个峰值功率2000 W,占空比为15%的二极管激光器阵列抽运下,获得了峰值功率1440 W,平均功率216 W的准连续激光输出,光光转换效率达到36%,电光转换效率超过16%,在稳腔下测得的光束质量M2因子约为12×13。     

高功率全固态红绿蓝激光器研究

高功率全固态红、绿、蓝激光器在国防、信息、医疗和科研等领域有着极为广阔的应用前景。然而，同时获得高功率、高光束质量的全固态激光输出是激光研究领域的难点。我们理论分析与实验结合，深入研究了高平均功率、高光束质量全固态激光产生和非线性频率变换中的若干关键技术，包括热效应补偿技术与光束质量改善技术、高效率倍频与和频技术，研制成功了高功率高光束质量全固态红、绿、蓝激光器，输出功率分别为：669nm红光28W、532nm绿光218W和440nm蓝光7．6W。相关激光器已经作为三基色光源用于大屏幕全色激光显示，及高功率参量振荡器的泵浦光源等。     

激光二极管抽运Nd:YAG双薄片激光器

激光介质的热效应是高平均功率固体激光器面临的最大挑战,采用薄片激光介质是解决热效应的有效手段之一。当在抽运区尺寸远大于薄片厚度并且抽运光均匀分布的条件下,热流近似为沿厚度方向的一维分布,从而大大降低介质的热透镜效应和热致应力双折射。设计了四通光学耦合系统,通过提高二极管激光器阵列输出激光强度分布的均匀性,并优化经微柱透镜准直后光束的发散角,实现了抽运光的近平顶分布。采用两片1 mm厚的Nd∶YAG薄片激光介质,在两个峰值功率2000 W,占空比为15%的二极管激光器阵列抽运下,获得了峰值功率1440 W,平均功率216 W的准连续激光输出,光光转换效率达到36%,电光转换效率超过16%,在稳腔下测得的光束质量M2 因子约为12×13。     

1 μm调Q脉冲光纤激光器的高频驱动器

声光调制器驱动器是脉冲光纤激光器中的重要部分,如何提高与完善驱动电路的性能指标成为决定输出激光品质的一个重要因素。该文提出了低功耗,输出功率稳定可调的声光调Q驱动器方案。它通过2ASK调制来控制射频功率的输出,进而控制声光Q开关的时间和重复频率;并具有2 W的射频功率输出、20~200 kHz的重复频率、10 ns(1个射频驱动振荡周期)内的声光Q开关响应时间的优良性能。     

大功率固体激光器高效率光纤耦合

光束质量参数对大功率固体激光器光纤耦合系统的设计起着关键作用。大功率固体激光器输出的为多模激光束,引入等效基模光束来计算多模激光束的光束质量是一种有效的方法,并定义包含光斑能量98%的光斑半径为束宽,以此计算多模激光束的光束质量,是准确有效的。结合大功率固体激光器的光纤耦合原理和光束变换理论设计了高效耦合系统,并对系统内透镜的通光孔径及焦距等参量做了数值优化。实验证明,此光纤耦合系统能够进行大功率固体激光高效率耦合,成功地实现了输入功率为2000W时,耦合效率大于94%的激光输出,并给出了光纤耦合的效率曲线及分析。     

Effects of small-scale phase perturbations on laser oscillator beam quality

A simplified analysis is presented for predicting the effects of small-scale intracavity phase perturbations or scattering centers on the power output and beam quality of high-power laser oscillators. The small-scale perturbations are viewed as scattering energy from the unperturbed lowest order transverse mode of the cavity into numerous higher order transverse modes. These modes are, unfortunately, then regeneratively amplified within the laser cavity. This produces only a small change in the effective output coupling and the total power output from the perturbed laser cavity, but causes a serious deterioration in the far-field brightness and on-axis intensity of the output beam.     

工业用大功率固体激光加工系统

报道了一种符合工业应用的国产化大功率固体激光加工系统.大功率连续Nd:YAG激光器采用对称放置方式四棒串接谐振腔,得到大于2100 W的稳定功率输出,光束参数积24 mm·mard,系统总光电转换效率达到3.5%;激光器的输出激光采用芯径600 μm的光纤传输.对激光加工系统的关键问题进行了分析,包括大功率固体激光器在保证光束质量的条件下大功率输出、高效率光纤耦合输出、适应加工要求的控制系统等.研制的系统在实际应用中表明:加工系统稳定、可靠,操作方便,可与机械手、机床等外设联接,满足工业应用的要求.     

非稳腔大功率绿光激光器的研究

为了提高激光的光束质量和提供准直的平行光束,为抽运钛宝石提供优良的大功率的绿光抽运源,对激光二极管侧面抽运Nd:YAG声光调Q腔内倍频固体激光器进行了研究.实验中采用凸平直线非稳腔,将凸面镜和增益介质热透镜效应等效为望远镜系统进行分析.由实验可知,凸平非稳腔具有较大模体积、良好的稳定性等优点;利用二类相位匹配的磷酸钛氧钾晶体进行腔内倍频,当抽运功率为200W时,获得脉宽109ns、重复频率9.3kHz、发散角小于2mrad的42W绿光输出,光光转换效率达到21%,24h长时间的工作,不稳定性小于2%.结果表明,利用非稳腔腔型,在侧面抽运的模块中可以实现高效的大功率绿光输出.     

激光二极管侧面抽运高功率1338nm Nd∶YAG激光器

报道了一台激光二极管(LD)侧面抽运的高功率连续1338 nm Nd∶YAG激光器.通过分析Nd∶YAG的跃迁谱线和相应的受激发射截面的特点,根据多跃迁谱线激光材料波长选择的耦合率条件,合理设计激光棒和腔镜的耦合率参数.激光谱线测量表明,成功抑制了1064 nm和1319 nm波长激光的振荡.以高功率808 nm激光二极管侧面抽运模块为抽运源,采用平-平腔结构,研究了耦合输出率分别为5.3%,7.4%和11%的输出镜的输出情况,比较分析了不同腔长对激光输出的影响.在抽运功率为555 W时,采用5.3%的耦合输出镜和20 cm腔长,获得大于100 W的1338 nm单一波长激光输出,光-光转换效率大于18%,斜率效率为35%,输出光束的M2因子为36.     

Novel high-power laser structures incorporating curved gratings

We present a theoretical investigation of a novel type of distributed-feedback high-power diode laser with a “curved-groove” diffraction grating (c-DFB), which is predicted to give enhanced spectral and spatial output characteristics. Analyzed spectral properties of the proposed device are found to be identical to the conventional DFB laser of the same length and coupling. It has been also shown that the lateral optical modes of the proposed c-DFB laser are the cylindrical symmetry, which implies that the power generated by such a device can be brought to a common focus     

高功率激光作用下光学元件非线性热效应研究

为了研究高功率激光作用下光学元件热效应的非线性特性对光束质量的影响, 基于热传导、热弹性力学、物理光学等基础理论, 采用有限元分析方法, 进行了高功率连续激光(功率密度约为500kW/cm2)作用下光学元件的温度场和位移场的计算; 分析对比了各个参数的非线性特性对光学元件热效应的影响; 探讨了不同材料、不同形状光斑辐照下的光学元件非线性热效应。结果表明, 高功率连续激光作用下光学元件所反映出的热学、力学和光学吸收存在着不同程度的非线性效应, 其强弱取决于光学元件材料、光斑形状等因素; 高斯激光辐照熔石英样品且吸收率为100×10-6时, 考虑物性参数和温度边界条件的非线性, 会引起表面最大温升16%的相对误差和表面变形峰谷值10%的相对误差。这一结果为开展与此相关的研究提供了一些新思路。     

High-power ring laser using a broad-area GaAlAs amplifier

A high-power external-cavity ring laser, incorporating a 600-μm-wide GaAlAs traveling wave amplifier as a gain element, is demonstrated. The laser generated a pulsed (200 ns) output power of 9.3 W with a near-diffraction-limited beam quality and unidirectional ring propagation. The power versus output coupling dependence agreed with independently measured gain saturation characteristics of the amplifier