A 658-W VCSEL-pumped rod laser module with 52.6% optical efficiency

A high-efficiency and high-power vertical-cavity surface-emitting laser (VCSEL) side-pumped rod Nd:YAG laser with temperature adaptability are demonstrated. The VCSEL side-pumped laser module is designed and optimized. Five VCSEL arrays are symmetrically located around the laser rod and a large size diffused reflection chamber is designed to ensure a uniform pump distribution. Furthermore, the absorbed pump power distribution of the rod is simulated to verify the uniformity of the pump absorption. Finally, a proof-of-principle experiment is performed in short linear cavity laser with single laser module. A continuous-wave output power of 658 W at 1064 nm is obtained, the corresponding optical-to-optical efficiency is 52.6%, and the power variations are ±0.7% over 400 s and ±3.1% over the temperature range from 16 ℃ to 26 ℃. To the best of our knowledge, this is the highest output power and the highest optical-to-optical efficiency ever reported for VCSEL pumped solid-state lasers. By inserting a telescopic module into the cavity and optimizing the TEM₀₀ mode volume, the average beam quality is measured to be M²=1.34 under an output power of 102 W. The experimental results reveal that such a high power rod laser module with temperature stability is appropriate or field applications.     

200 W双谐振腔组合单向输出准连续绿光激光器

研究了最大平均输出功率达206 W的高功率准连续绿光激光器.利用ABCD定律及高斯光束在腔内的自再现条件,分析了激光晶体热透镜效应及热致双折射效应对谐振腔稳定性和输出光束质量的影响.实验中将两个型号相同的LD侧面泵浦激光模块分别置于一个平-凹V型谐振腔和一个平-凹直腔内,形成两束稳定运转的1 064 nm基频光,经过声光Q开关和倍频晶体后,产生两束倍频光,均到达平面折叠镜,最终由平面折叠镜单向重叠输出.当激光模块的泵浦电流为50 A,声光调Q的重复频率为22.4 kHz时,最大平均输出功率为206 W,最大单脉冲能量为9.2 mJ,脉冲宽度为201 ns,峰值功率为45.8 kW的532 nm绿光输出,倍频效率达到60.2%.激光器2 h工作的功率不稳定度优于2.5%.     

增益模块长高比对输出功率和提取效率的影响

为了得到HF化学激光器的增益发生器较佳的模块尺寸,研究了增益模块长高比对输出功率及放大级提取效率的影响。使用基于变换坐标系的有限差分方法,计算了主振荡功率放大器（MOPA）结构HF激光器不同增益模块长高比条件下的主振荡器输出功率、放大级提取效率及经放大后的输出功率。计算结果表明:对于MOPA结构HF激光器而言,当增益体积一定、小信号增益曲线相同时,随着增益模块长高比的减小,主振荡器输出功率和经放大级放大后的输出功率将有所增加,但放大级的能量提取效率将降低;当增益模块长高比已经较小(小于５)时,进一步降低长高比对激光器输出功率和放大级提取效率的影响微弱。     

1.06 μm InGaAs/InGaAsP量子阱半导体激光器的温度特性

研究了1.06 μm InGaAs/InGaAsP量子阱半导体激光器厘米bar模块的温度特性,测试分析了该模块的输出光功率、阈值电流、转换效率和光谱随注入电流及管芯温度变化的特性。结果表明,器件在15~55 ℃范围内所测的输出光功率由40.7 W降低到29.4 W,阈值电流由9.29 A升高到17.24 A,转换效率由54.22%降低到37.55%,光谱漂移为0.37 nm/℃,特征温度为68.6 K。实验结果表明,为保持器件性能的稳定,在实际应用过程中应该使器件的温度控制在15~25 ℃范围内。     

光纤陀螺用光源全温度工作交越失真研究

为提高光纤陀螺准确度、实现工程化应用,分析了SLD光源内部的热结构,建立了全数字光源控制系统.测试结果表明：在变温环境下（－15℃～55℃）,抑制了光源的“交越失真”现象,实现了光源平均波长波动0.014％,光功率波动0.4％的控制准确度.采用抑制交越失真控制的光源的FOG在全温度范围内的零偏稳定性从2.14°/h提高到0.21°/h.     

基于单片机的激光发生器的驱动电路设计

为了更有效地控制和调节激光器的温度与功率,设计了一种基于STC11F08XE单片机控制的具有温控和功率控制功能的激光发生器驱动电路。通过使用ADN8830芯片的温度控制功能和ADN2830芯片的功率控制功能实现激光器的温度控制,同时能够手动改变激光器的输出功率。实验结果表明,该系统温度控制模块能够稳定控制激光器温度,使目标温度误差低于0.01 ℃,波长可以在1 535.17 nm~1 563.24 nm之间变动。功率控制模块可实现手动控制,激光器功率在0~10 dBm间变化,误差在0~0.05 mW之间。     

基于微蒸发腔制冷的大功率激光二极管制冷组件

利用节流的高压冷却介质在微蒸发腔内相变吸热,设计了一种用于大功率激光二极管制冷的封装组件。该组件采用高热导的无氧铜,用精密线切割、化学腐蚀等技术制作微蒸发腔,再通过自制的焊接设备完成制冷组件的封装。按照大功率激光二极管条的发热模型,理论上对微蒸发腔制冷组件的温度分布进行了数值模拟,结果与60 W激光二极管条的散热实验符合较好,得到制冷剂流量为23 m L/min时的热阻为0.289℃/W。     

高亮度大功率半导体激光器光纤耦合模块

应用ZEMAX软件设计出高亮度大功率光纤耦合模块。采用16支输出功率12 W的单偏振态单边发射半导体激光器,耦合进芯径100 μm、数值孔径0.22的光纤中。模块输出功率达到189.4 W,耦合效率达到98.6%,亮度达到94.66 MW/cm²-str。通过SolidWorks软件优化得到新热沉结构,应用ANSYS软件进行热分析,结果表明新热沉结构最高温度为42.4℃,相比优化前温度降低1℃以上,得到良好散热结构模型。     

百瓦级近衍射极限VCSEL泵浦激光器

报道了高功率、高光束质量的垂直腔面发射半导体激光器(VCSEL)侧泵的Nd:YAG激光振荡器。从VCSEL泵浦源的主动冷却的热沉结构出发,设计了5个227 W的VCSEL线阵,并且通过优化侧面泵浦大口径激光棒的结构,研制成了具备480 W输出能力的棒状激光模块,相应的光-光效率为49.7%。在此基础上,设计了一种高功率、高光束质量的VCSEL侧面泵浦棒状Nd:YAG激光振荡器。腔内插入望远镜光学元件,并通过优化各光学元件的参数使其工作在热近非稳区域,以达到增大基横模体积和抑制高阶横模目的。最终,获得114 W的输出功率,相应的平均光束质量因子M2为1.42。由于VCSEL具备优秀的波长-温度稳定性,这种高功率、高光束质量的VCSEL泵浦的固体激光器在工业、空间等领域,具有极为广阔的应用前景。     

A kilowatt level diode-side-pumped QCW Nd:YAG ceramic laser

We demonstrate a kilowatt level Quasi-continuous-wave (QCW) diode-side-pumped Nd:YAG ceramic laser at 1064 nm. The laser system adopts a master oscillator power amplifier scheme (MOPA). The master oscillator contains two diode-pumped laser modules. Under the pump power of 2000 W, an output power of 686 W was obtained. After amplified by an identical ceramic laser module, a maximum output power of 1020 W was obtained under a total incident pump power of 3433 W, corresponding to an optical-optical conversion efficiency of 29.7%. At the maximal output power, the repetition frequency was measured to be 1 kHz and the pulse width was 114 μs. To the best of our knowledge, this is the first time to realize QCW side-pumped Nd:YAG ceramic laser system with output power above 1 kW.     

High-power continuous wave green beam generation by use of simple linear cavity with side-pumped module

High-power continuous wave green radiation has been generated by means of type-II phase-matched frequency doubling in a KTP crystal located in a simple linear cavity incorporating a diode side-pumped Nd:YAG laser module. The cavity was designed to make the fundamental beam radius at the KTP crystal smaller than that at the gain medium, as is required for obtaining large mode volume in Nd:YAG crystal and realizing efficient CW intracavity frequency doubling. Output power of 51.2 W is obtained in the experiment with a diode-to-green optical conversion efficiency of 10.3%. The M²-parameters of the laser are measured at different output powers. For the output power of about 47 W, the power fluctuation is measured less than 1%. The experimental results show that the continuous wave green laser system using this simple linear cavity offers good laser performance and output stability.     

低杂波电流驱动阴极高压电源系统的优化与实现

4.6 GHz 低杂波电流驱动（LHCD）是EAST托卡马克装置辅助加热系统的重要组成部分。其阴极高压直流电源基于脉冲阶梯调制（PSM）技术,采用64个直流模块串联输出50 kV直流电压。单模块的调制频率设计为50 Hz,故而系统调节速度有限,面对实际运行中网侧电压波动引起的干扰时,电源无法做出更快速的响应与反馈调节,从而导致输出电压产生大幅波动,影响输出性能。为提高电源调节速度和抗干扰能力,设计了具有1 kHz调制能力的高频整流模块以替代部分原低频模块,利用高频模块的快速调节能力抑制输出电压的波动。实验结果表明,升级后的电源输出电压波动减小了50%,更好地满足速调管对于电压精度和稳定度的控制要求,保障了系统运行的可靠性。     

热电制冷LED自然对流散热的设计与优化

为提升高热流密度下LED灯具的自然对流散热性能,以一款基于热电制冷（TEC）的单颗LED小型灯具模组为研究对象,在采用实验测量和回归拟合准确获得TEC性能参数的基础上,建立了有无TEC参与散热的等效热路模型,并选择合理的数学公式对其进行性能描述,进而遵循本文设计的计算流程快速得到各种散热性能数据。LED模组的散热分析表明：在恒定的LED热功率下,施加最佳的TEC电流可获得最高的散热性能;LED热功率越低,安装TEC的散热性能越比常规方法优异。经遗传算法优化前后的性能对比分析表明：优化后结构中TEC的合理工作区明显增大,能满足LED更高功率的散热需求;当LED为0.493 W时,优化后结构的最佳结温仅为15.66℃,远低于30℃的环境温度。基于TEC实验数据建立的等效热路模型,能为装配TEC的LED模组提供快速完整的散热设计分析与结构优化的合理方案。     

“LPP-EUV”光源中的高功率CO_2激光监测与控制系统

为了满足激光诱导等离子体（LPP）体制下极紫外（EUV）光源对CO2激光器提出的稳定性需求,建立了简化的CO2激光传输系统模型,根据光束稳定性需求对光束功率、指向和位置的监测与控制方法进行了理论和实验研究。根据高功率CO2激光传输系统特点,在实验室内建立了上述光束监测和控制实验系统,包括光束功率控制模块、光束指向控制模块和光束参数监测模块,其中光束参数监测模块可实时测量光束功率、指向、尺寸及发散角等重要参数。仿真与实验结果表明：光束功率控制模块对线偏振激光功率的控制接近1%～100%,光束指向控制模块实现的光束指向稳定度在10μrad以内,可满足CO2激光驱动源的高稳定性要求。     

高稳定输出功率的全固态激光器

介绍了一种高稳定性输出功率的连续LD抽运Nd∶YVO₄全固态532 nm激光器,输出功率为144 mW,采用LD抽运Nd∶YVO₄晶体,KTP晶体腔内倍频方式工作。该激光器采用热电制冷器(TEC)实现对LD、KTP晶体的高精度温控,其温控精度达到±0.1 ℃。建立了LD电流与输出功率的非线性曲线,通过硅光电池检测激光输出功率实现激光功率实时光反馈,采用阈值式PI控制算法进一步降低稳态误差,通过对抽运驱动电流实施反馈控制获得了波动小于±1%的长时间高稳定功率输出。     

Diode-pumped 1123-nm Nd:YAG laser

We demonstrated a diode-pumped Nd:YAG laser with a plano-concave resonator. When the pump power is 1.57 W, the output power of 1123-nm laser is 132 mW at the temperature of 20 ℃, and the power change is less than 2% in an hour. A periodically poled LiNbOa (PPLN) was used as outer cavity frequency-doubling crystal and 561-nm laser was observed.     

307 W high-power 1018 nm monolithic tandem pump fiber source with effective thermal management

We report a 307 W 1018 nm Yb-doped fiber laser pumped by a single 976 nm laser diode. The cavity slope efficiency is up to 75.9% and the amplified spontaneous emission is suppressed by 54 dB. The beam quality of the output laser has an M2 factor of 1.17. Effective thermal management is considered to ensure the stable operation of our system. The power stability at the maximum output power level is measured during a period of0.5 h and the power fluctuation is less than 0.8%. This architecture can be an effective high brightness pump source of core-pumping high-power fiber amplifiers.     

高密度封装二极管激光器阵列

 理论模拟了自制的高效冷却器的散热能力,分析了单元封装结构所需材料的导热特性,获得了高功率二极管激光器在高功率密度、高占空比条件下运行的可行性。改进了高密度封装的关键工艺,热沉金属化层达到了3~5 mm,焊料厚度为4~7 mm,封装间距0.6 mm,采用峰值功率1 kW的背冷式叠阵二极管激光器。实验测试结果表明:封装的二极管激光器叠阵单元的整体封装热阻为0.115 ℃/W,有良好的散热能力;该叠阵模块在电流为100 A、占空比15%时,输出峰值功率为986 W,峰值功率密度达到1.5 kW/cm2,平均每个板条的斜效率为1.25 W/A,激光器阈值电流为20 A左右。     

全砖激光驱动电源模块的研制

随着半导体制造工艺的进步以及半导体激光器应用领域的拓展,目前半导体激光器对大功率,小型化驱动电源的需求越来越迫切,推动着驱动电源朝着更高功率密度、模块化的方向发展。基于BUCK电路设计了一款全砖激光驱动电源模块,电源模块整机尺寸为116.8 mm×61 mm×12.7 mm,最大输出电流12 A,最大自适应输出电压为50 V,电流纹波峰峰值小于35 mA,电流稳定度达到了0.067%。同时驱动电源模块设计有过流保护电路,保证了激光器负载可靠安全工作,目前也已在某项目中成功应用。     

激光二极管抽运Nd∶YVO4晶体1342nm和671nm激光器研究

报道了激光二极管抽运的Nd∶YVO₄晶体1342和671nm激光特性.1342nm激光最大输出功率为1.75W，光-光转换效率为32.1%，斜效率为43%.利用Ⅰ类非临界相位匹配LBO晶体腔内倍频，当输入抽运功率为6W时，获得功率为502mW的671nm激光输出，光-光转换效率超过8.3%；当671nm激光输出功率为400mW时，短期的不稳定度小于2%. 关键词：