【摘要】：半導(dǎo)體激光器在固體激光器泵浦、顯示和材料處理等許多應(yīng)用中起著重要作用。對半導(dǎo)體激光器輸出光束進(jìn)行合束,常用的合束方法有空間合束、偏振合束和光譜合束。其中只有光譜合束(Spectral Beam Combination,SBC)能夠在保持輸出光束與單個發(fā)光單元光束質(zhì)量相當(dāng)?shù)那闆r下,將亮度提高數(shù)倍,因而逐漸成為研究熱點,并取得了一些較大突破。近年來,Teradiode公司利用光譜光束合成技術(shù)使的半導(dǎo)體激光器輸出功率達(dá)到了數(shù)千瓦級。本論文主要圍繞半導(dǎo)體激光器的波分復(fù)用合束技術(shù)之一——光譜合束展開研究。設(shè)計了無輸出耦合鏡光柵外腔光譜合束的研究方案,研制了高功率、高光束質(zhì)量、高亮度的光譜合束直接輸出半導(dǎo)體激光光源。具體工作內(nèi)容如下:1)梳理了近幾年來國內(nèi)外半導(dǎo)體激光器光譜合束技術(shù)發(fā)展的最新重大成果和在發(fā)展高功率高亮度直接應(yīng)用半導(dǎo)體激光光源方面極具有潛力的波分復(fù)用合束技術(shù)。將半導(dǎo)體激光器的波長合束、光譜合束(密集光譜合術(shù)和粗譜合束)、波分復(fù)用統(tǒng)一為波分復(fù)用合束技術(shù),總結(jié)了半導(dǎo)體激光器波分復(fù)用合束技術(shù)中所用的波長鎖定和復(fù)用元件的發(fā)展現(xiàn)狀,總結(jié)了目前已經(jīng)商業(yè)化的光譜合束直接輸出光源。2)以提高光譜合束輸出功率、合束效率和光束質(zhì)量為目的,分析了輸出耦合鏡光柵外腔光譜合束結(jié)構(gòu),設(shè)計了無輸出耦合鏡外腔光柵光譜合束結(jié)構(gòu),對該結(jié)構(gòu)的反饋光束和輸出光束組成進(jìn)行了分析闡述,并得到了其等效外腔結(jié)構(gòu)。3)分析了半導(dǎo)體激光器外腔波長鎖定的原理及過程,并就光柵外腔光譜合束中,外腔結(jié)構(gòu)參數(shù)與外腔反饋耦合帶寬進(jìn)行了簡要分析,分析了外腔耦合帶寬與半導(dǎo)體激光器波長鎖定后殘余線寬的關(guān)系。4)分析了光柵光譜合束的原理,根據(jù)光柵色散特性,以光柵刻線1600條/mm,光柵Littrow角aLittrow=51.33°@976nm為例,建立了光柵的波長-角度對應(yīng)系統(tǒng)。根據(jù)所建立的波長-角度對應(yīng)系統(tǒng),分析了光柵外腔結(jié)構(gòu)里半導(dǎo)體激光器陣列條上發(fā)光單元間隔、變換柱透鏡焦距、光柵周期和光柵Littrow角等參數(shù)對合束輸出光譜的譜峰間隔、輸出譜寬等的影響。分析了導(dǎo)致光柵外腔光譜合束輸出光束質(zhì)量劣化的主要原因—殘余光譜線寬、發(fā)光點間串?dāng)_和陣列條“smile”效應(yīng)。5)進(jìn)行了所用的波長976nm、9個發(fā)光點半導(dǎo)體激光短陣列條的測試,并進(jìn)行了單陣列條無輸出耦合鏡光譜合束驗證實驗。實現(xiàn)了 70A工作電流下40.8W的輸出功率,驗證了無輸出耦合鏡光柵外腔結(jié)構(gòu)的可行性。6)基于單陣列條的驗證實驗,設(shè)計了 6個陣列條快軸方向堆棧成疊陣,兩疊陣進(jìn)行空間合束之后進(jìn)行光譜合束的高功率直接輸出半導(dǎo)體激光光源的研制方案,研制了一套輸出功率578W,電光效率46.5%,快軸和慢軸光束質(zhì)量分別為BPPFA=7.35mm·mrad、BPPSA=6.03mm mrad(包含95%能量),空間亮度為132.14MW/(cm2· sr),光譜亮度為12.88MW/(cm2·sr·nm)的直接輸出光源。
【學(xué)位授予單位】：中國工程物理研究院
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN248.4
【圖文】：

１．２光譜合束國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀逡逑１．２．１波分復(fù)用合束技術(shù)分類逡逑圖１．１為光束合束原理示意圖。如圖１．１（ａ）所示的空間合束，光束的空間堆疊能夠成逡逑倍提高輸出功率，輸出功率與合束單元數(shù)量成正比，即逡逑Ｐ邋＝邋ＮＰ０邐（１－１）逡逑式中為Ｐ合束后光功率，＃為合束單元數(shù)量，為合束單元光功率。合束后光參數(shù)積隨逡逑合束單元數(shù)量增大而增大，可表示為逡逑ＢＰＰ邋＝邋Ｎ0）Ｏ０Ｏ逡逑式中５ＰＰ為合束后光參數(shù)積，％為合束單元束腰半徑，成為合束單元光束發(fā)散角。合逡逑束后亮度為逡逑Ｂ邐（１－３）逡逑ＢＰＰ邋ＡＱ逡逑式中Ｊ為合束后發(fā)光面積，Ｑ為光束空間角，５為合束后亮度，可見空間合束中亮度不逡逑隨合束單元數(shù)量增加而增大［１８］。逡逑（ａ）空間合束邐（ｂ）波分復(fù)用合束逡逑圖１．１合束原理示意圖逡逑如圖１．１（ｂ）所示，波分復(fù)用將兩個或更多半導(dǎo)體激光器出射光束合成一束，其中每逡逑束光束具有不同波長，能夠同時使功率和亮度成倍增加，而保持光參數(shù)積不變［￥。從合逡逑束的波長間隔來看

逑Ｏ．ｌｍｎ？ｌｎｍ范圍內(nèi)，這樣才能夠在總線寬不變的情況下，將更多束不同波長的光進(jìn)行合逡逑束，達(dá)到提高亮度的目的，如圖１．２所示逡逑ｉｔ邋，邋ａ＞．邋＾邐ｊ邋ｙ邋ｊ逡逑ｉｉｉｉｉ邋ｉｎ逡逑Ｙ邐邐邐逡逑人邐Ｓｌｏｗ邋ａｘｉｓ逡逑圖１．２密集波長合束原理示意圖邐圖１．３啁啾波長鎖定示意圖逡逑半導(dǎo)體激光器波分復(fù)用技術(shù)中常用啁啾波長鎖定，使每一個發(fā)光單元在不同的波長逡逑下激射，如圖１．３所示每種顏色代表一種波長這類波長鎖定可以用啁啾體布拉格光逡逑柵、平面衍射光柵和陷波濾波器等器件來實現(xiàn)。逡逑在一個半導(dǎo)體激光器波分復(fù)用系統(tǒng)中，波長鎖定和波分復(fù)用是兩個必不可少的部分，逡逑從實現(xiàn)途徑來看通常有兩種方式。一種是波長鎖定和波分復(fù)用分開進(jìn)行，用來波長鎖定逡逑的色散元件通常置于外腔中或集成在半導(dǎo)體激光器內(nèi)部來提供反饋，例如分布反饋半導(dǎo)逡逑體激光器、分布布拉格反饋半導(dǎo)體激光器，之后再用濾波器或色散光柵將不同波長的子逡逑束進(jìn)行合束［２（）－２４］

■邋一邐＾逡逑ｇｒａｔｉｎｇ逡逑ｏｕｔｐｕｔ邋ｃｏｕｐｌｅｒ逡逑圖１．４邋ＴｅｒａＤｉｏｄｅ公司波長合束結(jié)構(gòu)示意圖逡逑該合束結(jié)構(gòu)中衍射光柵同時作為波長選擇元件和合束元件，存在嚴(yán)重的互鎖問題。逡逑互鎖是同時進(jìn)行波長鎖定和復(fù)用的外腔結(jié)構(gòu)的寄生效應(yīng)，是指從一個發(fā)光點反饋回腔面逡逑的光，會對另一個發(fā)光點產(chǎn)生干擾，這種光反饋會導(dǎo)致額外的縱模并大大降低復(fù)用效率。逡逑ｍｉｒｒｏｒ／ｏｕｔｐｕｔ逡逑ｃｏｕｐｌｅｒ逡逑ｆ逡逑ｏｐｔｉｃｓ邐／邐ｏｐｔｉｃｓ逡逑ｂａｒ／ｓｔａｃｋ邋１邐／ｆ邐＊＊＾＊？＾＾！邋邋＾逡逑ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ邋Ｉ邐ｍｉｒｒｏｒ逡逑ｅｌｅｍｅｎｔ邋Ｉ逡逑／邋ｏｕｔｐｕｔ逡逑？邋ｂｅａｍ逡逑圖１．５無輸出耦合鏡外腔光譜合束結(jié)構(gòu)示意圖逡逑為進(jìn)一步提高輸出功率和轉(zhuǎn)換效率，ＴｅｒａＤｉｏｄｅ還提出了一種無輸出z1合鏡外腔逡逑（Ｃｏｕｐｌｅｒ－Ｆｒｅｅ邋Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ）波長合束結(jié)構(gòu)，如圖１．５所示［３７’３８］。傳統(tǒng)ＷＢＣ結(jié)構(gòu)中利用輸出逡逑＿合鏡反射一部分輸出光作為反饋來對發(fā)光單元進(jìn)行波長鎖定，在Ｃｏｕｐｌｅｒ－Ｆｒｅｅ逡逑Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ結(jié)構(gòu)中，利用兩個０°全反鏡將衍射光柵透射光的一部分反饋回發(fā)光單元進(jìn)行逡逑波長鎖定

【參考文獻(xiàn)】

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2 沈本劍;譚吉春;鄭光威;何焰藍(lán);;Sinc切趾布拉格光柵譜合成特性[J];強激光與粒子束;2011年03期

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本文編號：2748359