1 中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光单元技术实验室, 上海 201800
2 国科大杭州高等研究院物理与光电工程学院, 浙江 杭州 310024
在高功率激光运转条件下,掺杂稀土离子的量子亏损和玻璃材料的本征吸收均会造成光纤放大器中增益光纤温度的整体上升与梯度分布。在热平衡状态下,光纤材料的热光效应将会诱导光纤横向折射率的再分布,引发高功率激光运转条件下增益光纤模式特性的改变。为此,利用多物理场有限元建模的数值计算方法对高功率激光运转条件下大模场掺镱石英光纤的热致模式特性展开系统研究,分析总结大模场增益光纤的模式特性在不同激光运转功率、增益光纤设计参数(纤芯直径、数值孔径、热光系数)和光纤弯曲使用条件下的变化规律。结果表明,随着激光运转功率的增加,纤芯和包层之间的温差会变大,从而导致光纤的归一化参数V值增大,最终使模式的传输损耗系数减小,模式在纤芯区域的功率因子增大。
激光光学 大功率激光光纤放大器 有限元仿真 大模场掺镱石英光纤 模式特性 热光效应 光学学报
2022, 42(10): 1014003
长春理工大学光电工程学院，吉林 长春 130022
在大功率的光学切割系统中，激光经过光学系统聚焦会产生热量，造成光学系统元件发生热形变和折射率的改变，从而导致镜片焦距发生改变，影响加工效果。利用COMSOL软件对光学系统进行多物理场模型建模，仿真得到连续激光和准连续激光作用下的镜面形变量和折射率改变情况，将镜片受热后数据导入ZEMAX中进行光束追迹，仿真计算出光学系统焦点的轴向偏移量。功率越大，焦点偏移量越大；脉宽越大，焦点偏移量越小；重复频率越高，焦点偏离量越小。最后通过引入对流系数对焦点偏移进行补偿，同时改变对流系数可以控制焦点的位置。该研究解决了大功率激光加工过程中的轴向焦点偏移量测量难的问题，为大功率激光切割设备的焦点控制提供理论依据。
激光光学 大功率激光 焦点位移 COMSOL 光束追迹 焦移补偿 激光与光电子学进展
2021, 58(11): 1114011
1 西安工业大学 光电工程学院, 陕西 西安 710021
2 西安高斯激光科技有限公司, 陕西 西安 710032
为了大功率激光设备工作时, 减小高斯光束束腰半径外低能量所产生的边缘效应, 避免出现毛边、搭接痕迹明显等问题, 需要对它进行光束整形设计。针对大功率激光光源特性(输出平均光功率为500 W, 脉冲宽度为130~160 ns, 重复频率为20~50 kHz, 波长为1 064 nm, 功率调节范围为10%~100%), 为了减小系统的复杂性, 提高激光能量的利用率, 采用伽利略式非球面透镜整形系统进行参数优化; 选取平顶洛伦兹模型为物理模型, 根据能量守恒定律求得入射光与出射光之间的映射关系; 采用光学软件对系统的结构参数和非球面系数进行优化。计算平顶光束在出射距离20,30 mm时的输出能量均匀度。结果表明: 系统的工作焦深在20～30 mm时, 平顶区激光能量均匀度均大于78.0%。以锈蚀的低碳钢板为作用目标进行了激光清洗实验, 光斑作用区域内, 激光与物质相互作用均匀, 证明本设计能满足大功率激光使用环境的要求。
大功率激光 光束整形 平顶洛伦兹模型 平顶光束 high-power laser beam shaping flat-top Lorentz model flat-top beam 光学 精密工程
2020, 28(10): 2129
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033
2 激光与物质相互作用国家重点实验室，吉林 长春 130033
本文对激光空间合束主镜进行优化设计与分析，以抑制强激光空间合束系统主镜热畸变，提高主镜面形精度。首先，对比分析了选择不同材料作为主镜基底的优缺点，从理论上初步确定了主镜材料、镜体厚度、支撑方式和轻量化结构形式；然后，利用有限元方法对空间合束主镜进行了热畸变分析，并结合热畸变结果对镜体结构形式进行拓扑优化设计；最后，对主镜进行重力、环境适应性和基频分析，验证设计的合理性。分析结果表明：6光合束主镜在单束10 kW激光辐照下，随着辐照时间的增加，镜面温升值和P-V值逐渐增大；辐照3 min后初设计主镜表面温度达83.4 ℃，P-V值为155 nm，受镜体结构影响，辐照区内热畸变值不一致，差值约占镜面P-V值的1/6；为改善热畸变的不一致性，提高镜体强度，对主镜进行拓扑优化设计，优化后主镜轻量化达54.5%，辐照区热畸变一致性好，镜面热畸变量减小了近1/3；不同俯仰姿态下，主镜重力变形值基本相同，不足10 nm；环境温度的改变会引起主镜的镜面畸变和平移，稳态温差值越大，主镜面形P-V值和镜面平移量越大；模态分析显示主镜基频满足系统要求。本文研究结果将对激光空间合束系统的设计提供依据。
大功率激光 空间合束 主镜 激光热畸变 轻量化设计 high power laser incoherent combining primary mirror laser thermal deformation light weight 陆丹 1,2,3杨秋露 1,2,3王皓 1,2,3贺一鸣 1,2,3[ ... ]王圩 1,2,3
1 中国科学院半导体研究所半导体材料科学重点实验室, 北京 100083
2 中国科学院大学材料与光电研究中心, 北京 100049
3 低维半导体材料与器件北京市重点实验室, 北京 100083
半导体分布反馈(DFB)激光器以其卓越的光谱特性、调制特性以及低成本、可量产优势已经成为光纤通信、空间光通信中的重要光源,并将在5G、数据中心、激光雷达以及微波光子学等应用中发挥不可替代的作用。针对通信波段半导体DFB激光器的不同应用需求及特征展开综述,分别就直接调制DFB激光器、大功率DFB激光器以及低噪声(窄线宽及低相对强度噪声)DFB激光器的设计原理、优化方法及进展进行了整理、评述与展望。
激光器 半导体分布反馈激光器 高速直调激光器 大功率激光器 窄线宽激光器 低相对强度噪声激光器
中国航天科工集团第十研究院 贵州航天天马机电科技有限公司, 贵州 遵义 563000
激光器系统中半导体激光器的功率输出稳定度和工作温度有很大的关系, 为了使大功率半导体激光器输出功率稳定, 需要对激光器实现高精度、快速温度控制。针对现有的激光系统中激光器温度控制系统存在控制精度不够高、控制速度慢等问题, 设计了一种温度稳定系统, 采用PT-100热电偶测量激光器温度, 并使用最小二乘法对温度数据进行拟合, 使得温度测量精度达到0.01 ℃; 使用改进粒子群算法优化(PSO)的PID控制器实现温度控制。仿真实验和实际测试表明, 所设计的温度稳定系统能够很好地控制激光器温度, 达到目标温度所需的调节时间小于11 s, 达到稳态后温度波动在±0.02 ℃内。与传统的温度控制方式相比, 所设计的系统能够实现参数自整定并自动调节温度, 对大功率激光系统中激光器温度具有良好稳定效果。
半导体激光器 大功率激光器 温度稳定控制 改进粒子群算法 PID控制器 semiconductor laser high power laser temperature stability control improved particle swarm optimization PID controller 强激光与粒子束
2019, 31(2): 021002
1 重庆大学 光电技术与系统教育部重点实验室,重庆400044
2 重庆师范大学 重庆市级高校光学工程重点实验室,重庆400047
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 mL/min时的热阻为0.289 ℃/W。
微蒸发腔 大功率激光二极管 热沉 micro-evaporation cavity high power laser diode heat sink
中国电子科技集团公司第十三研究所, 河北 石家庄 050051
理论分析了工作温度对大功率激光二极管的工作波长、电光效率和器件寿命等的影响, 采用波长补偿、高特征温度无铝材料设计外延和一体化烧焊等技术, 设计制作了808 nm准连续波(QCW)高温激光器阵列。在热沉温度70 ℃的工作条件下, 80 A单条输出功率大于65 W, 20 ℃～70 ℃范围内特征温度T0达到145 K。10叠层阵列电光效率达到53%, 工作寿命大于109次脉冲。
激光器 大功率激光二极管 高工作温度 特征温度 一体化烧焊
1 高能束流加工技术重点实验室 北京航空制造工程研究所 北京 100024
2 英国焊接研究所,英国
为增大激光器输出功率,实现中厚度板的激光焊接,研制了一套YAG激光耦合装置。利用非相干合成技术将三束激光合成为一束大功率激光,再通过耦合技术经由一根光纤输出。对耦合装置的焊接性能进行测试表明,与单束激光源相比,该装置可使焊接材料厚度大幅度增加,提高了加工效率。
大功率激光 耦合装置 激光焊接 非相干合成 high-power laser coupling equipment laser welding incoherent combining
