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中国激光 2025年

作者：苑高辉周寅利慕京飞张建伟陈超潘雨萌张卓刘天娇孙晶晶徐玥辉宁永强王立军中国科学院长春光学精密机械与物理研究所特种发光科学与技术重点实验室中国科学院大学中国人民解放军陆军装甲兵学院士官学校

本文针对传统宽区半导体激光器在大电流下导致横向高阶模式激射引起光束质量变差的问题，在脊波导两侧引入侧向表面光栅结构。研究了光栅结构对光损耗的影响，通过改变光栅距脊波导的距离，进一步研究了侧向光栅对光场模式的调控作用。... 详细信息

本文针对传统宽区半导体激光器在大电流下导致横向高阶模式激射引起光束质量变差的问题，在脊波导两侧引入侧向表面光栅结构。研究了光栅结构对光损耗的影响，通过改变光栅距脊波导的距离，进一步研究了侧向光栅对光场模式的调控作用。随着距离的减小，侧向光栅对高阶横向模式的调控能力增强，体现在远场横向发散角减小，近场分布能量更集中。

关键词：半导体激光器侧向表面光栅模式调控近场分布

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氧化锌微腔激光的模式调控

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科学通报 2020年第25期65卷 2691-2707页

作者：石增良王茹刘威卢俊峰王潇璇徐春祥东南大学生物科学与医学工程学院生物电子学国家重点实验室南京210096 南京航空航天大学理学院南京211106

振荡模式的调控与单模激光的实现是微腔激光器走向实际应用所需解决的关键问题.本文从微腔模式的基本理论出发,按不同的调控机理梳理了ZnO微腔激光在模式调控方面的主要进展.首先,阐述了分布布拉格反射(DBR)或分布反馈(DFB)结构、腔体... 详细信息

振荡模式的调控与单模激光的实现是微腔激光器走向实际应用所需解决的关键问题.本文从微腔模式的基本理论出发,按不同的调控机理梳理了ZnO微腔激光在模式调控方面的主要进展.首先,阐述了分布布拉格反射(DBR)或分布反馈(DFB)结构、腔体尺寸控制、游标效应等传统静态调控方式在ZnO微腔激光模式调控中的结构设计与研究进展;进一步讨论了通过压电、电光等物理效应调制折射率来实现ZnO微腔激光模式的动态调控;最后,综述了表面等离激元效应在实现纳米激光调控方面的最新进展,并系统分析了相关调控手段在ZnO微腔激光模式调控中的优点及存在问题.这些模式调控的方法不仅适用于ZnO紫外激光,同时也为其他材料、其他波段的微腔激光提供了参考.

关键词：氧化锌微腔紫外激光模式调控回音壁模

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高阶表面光栅对半导体激光器的横向模式特性的调控研究

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中国激光 2025年第7期 98-104页

针对传统宽区半导体激光器在大电流下因横向高阶模式激射而出现光束质量变差的问题，在脊波导两侧引入了侧向表面光栅结构。研究了光栅结构对光损耗的影响，通过改变光栅与脊波导的距离，进一步研究了侧向光栅对光场模式的调控作用。随... 详细信息

针对传统宽区半导体激光器在大电流下因横向高阶模式激射而出现光束质量变差的问题，在脊波导两侧引入了侧向表面光栅结构。研究了光栅结构对光损耗的影响，通过改变光栅与脊波导的距离，进一步研究了侧向光栅对光场模式的调控作用。随着距离的减小，侧向光栅对高阶横向模式的调控能力增强，表现在远场横向发散角越小，近场能量分布越集中。

关键词：半导体激光器侧向表面光栅模式调控近场分布

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硅基亚波长多模Y分支及其模式调控技术研究

硅基亚波长多模Y分支及其模式调控技术研究

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作者：卢隆辉华中科技大学

学位级别：博士

绝缘体上硅材料可以利用成熟微电子工艺制造大规模光电器件,在数据中心及片上等短距离光互连扮演着重要角色。模式复用技术能够利用多个空间模式作为独立传输信道,是应对波分复用多波长光源硅基集成难题及其附带的成本和能耗问题的极具... 详细信息

绝缘体上硅材料可以利用成熟微电子工艺制造大规模光电器件,在数据中心及片上等短距离光互连扮演着重要角色。模式复用技术能够利用多个空间模式作为独立传输信道,是应对波分复用多波长光源硅基集成难题及其附带的成本和能耗问题的极具潜力方案。本文的研究对象是硅基多模Y分支及其模式调控技术,目的是为了提高片上光互连通信容量的同时,更为灵活高效地优化调配信道资源。硅基多模Y分支基于绝热演化机制调控模式,在理论上具有灵活的、宽波段的模场调控能力,是构建片上模式复用系统的理想单元器件。然而,目前主流的光刻工艺难以制备理想的多模Y分支波导,导致传统多模Y分支器件的性能劣化严重。本论文研究了高性能的新型硅基多模Y分支,并基于该新型Y分支,结合热光效应、相变材料等,研究了可重构的片上多模模式转换器、多模交叉路由器和双模多端口环形拓扑回路,具有灵活的模式调控功能、良好的器件性能以及潜在的低功耗优点,对于片上模式复用光互连研究具有重要的参考价值和良好的应用潜力。具体如下: （1）提出并制备了一种高性能、多功能、小型化的新型硅基亚波长绝热多模Y分支。采用啁啾亚波长圆孔光栅近似理想的绝热演化分支波导的新思路,解决了有限光刻精度导致传统Y分支器件几乎不可用的重大技术难题。在1.53～1.57μm波段,亚波长四模对称Y分支的平均额外损耗和串扰分别小于0.5 d B和-21.0 d B;基于级联亚波长非对称Y分支的四模模式复用器的平均额外损耗和串扰分别低于0.75 d B和-18.5 d B。（2）提出了基于平行连接和交叉连接多个亚波长多模对称Y分支的马赫-曾德尔干涉仪实现片上多模模式转换的新方案,具有良好的通道数量扩展性。实验验证了支持四个模式任意转换的两种模式转换器,在1.53～1.59μm波段,模式转换的平均插损和串扰均分别低于2.5 d B和-16.5 d B。另外,基于交叉连接的方案所需相移器数量减半,具有潜在的低功耗优势。（3）提出了从“减少光开关数量”和“降低光开关本身功耗”两方面降低片上多模交叉路由功耗的新策略。仿真验证了基于Benes拓扑网络的低功耗四模式2×2无阻塞交叉路由器。首先,基于交叉波导代替冗余光开关的思路,采用暴力扫描算法将开关数量减少了15%;接着,基于亚波长双模Y分支的路由模型,利用Sb2Se3相变材料进行路径切换,无需持续提供能量维持开关状态,实现了一种新型低功耗单模2×2光开关,在1.5～1.6μm波段,其插损与串扰分别低于0.6 d B和-20.0 d B。（4）提出了通过环形连接多个亚波长双模Y分支实现片上双模多端口环形拓扑的新光子回路。实验验证了具有四个端口的可重构双模环形拓扑回路,TE0/TE1模式信号可以按照顺时针或逆时针方向路由到其相邻端口,在1.52～1.58μm波段,TE0/TE1模式的平均插损和串扰均分别低于2.2 d B和-16.5 d B。

关键词：片上光互连硅基光子学模式调控多模Y分支亚波长光栅结构

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光纤随机激光模式调控与应用研究

光纤随机激光模式调控与应用研究

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作者：马瑞电子科技大学

学位级别：博士

光纤随机激光器作为一种新型的光纤激光器,近十多年来受到广泛的关注与研究。作为对传统随机激光器的延续发展,光纤随机激光器将一维光纤结构中的多重散射效应作为有效的光学反馈机制,配合非线性增益,在不需要传统谐振腔的结构中产生独... 详细信息

光纤随机激光器作为一种新型的光纤激光器,近十多年来受到广泛的关注与研究。作为对传统随机激光器的延续发展,光纤随机激光器将一维光纤结构中的多重散射效应作为有效的光学反馈机制,配合非线性增益,在不需要传统谐振腔的结构中产生独特的随机激光现象。从最早光子晶体光纤中填充混有纳米散射颗粒的激光染料形成的光纤随机激光,到随机分布的光纤光栅结构构成的相干反馈光纤随机激光,再到基于传统商用标准单模光纤中分布式瑞利散射构成的分布反馈式光纤随机激光,光纤随机激光器的发展经历了从相干反馈到非相干反馈,从强无序散射结构到弱无序结构的过程,并最终在非相干反馈光纤随机激光器领域发展壮大,带动了诸如高功率/高效率、窄线宽、宽谱可调谐光纤随机激光器的丰富发展,并在光纤传感、超长距离光纤通信等领域得以应用。光纤随机激光器的发展也从起初光谱、功率特性的研究,逐渐拓展到偏振态、新波长、时域特性、非线性机制、多模特性的研究。纵观光纤随机激光器的发展历史,绝大多数的研究工作集中在连续光运转和单横模激发的前提下,这是因为受限于光纤随机激光器中随机散射形成的开放结构,很难基于传统谐振腔机理产生脉冲型随机激光,以及受制于常用的单模光纤作为激射载体,虽然降低了激射阈值但也阻碍了对多模特性的分析和研究。因而,目前对于更复杂的光纤随机激光脉冲产生、多横模激发等研究尚属起步阶段,仍有大量基础问题亟待解决和丰富发展。本论文紧跟光纤随机激光器发展的前沿动态,聚焦于对光纤随机激光模式调控特性的研究,从纵模的波长、时域脉冲、谱宽特性,以及横模的低空间相干性特性多个角度入手,研究分析模式调控的新机理,并以无散斑成像照明为切入点重点研究多横模光纤随机激光器的应用。本论文的主要研究内容总结如下:(1)研究了相干反馈机制下有源光纤随机激光器的模式调控特性,从激射波长的稳定,到激射波长的选择,以及产生时域脉冲等角度对光纤随机激光的输出特性进行调控。相干反馈机制的有源光纤随机激光器基于空间随机分布的光纤光栅阵列提供随机谐振反馈,因而具有产生随机激射所需光纤长度短、阈值低、结构紧凑、存在丰富的随机谐振等特点,也正因为如此,该类型光纤随机激光器由于强烈的模式竞争效应以输出波长随时间强烈变化为典型特点,因而对该类型光纤随机激光器的模式调控具有重要科学意义。我们首次提出通过引入外部控制光照射在随机分布光纤光栅阵列上引入局部增益微扰,在特定的控制光注入位置激光器的输出表现为稳定单峰的随机激光激射,并通过改变注入光的位置有效调节激射波长,为稳定和调控相干反馈光纤随机激光器的运行提供了新思路。此外,利用相干反馈光纤随机激光器存在的丰富的谐振特性,通过引入基于石墨烯的可饱和吸收体,首次实现了该类型光纤随机激光器的调Q锁模脉冲产生,通过分析谐振频率发现了局域模式与全局模式共振的运转机理,为脉冲型光纤随机激光的产生以及时域模式特性的规整提供了新思路。(2)开展了基于光纤随机激光泵浦的超连续谱产生的研究。基于瑞利散射反馈机制的光纤随机激光器具有得天独厚的开放结构,不依赖于波长选择器件,具有超宽谱的有效反馈,为了充分发掘该开放结构激射过程的带宽特性,我们引入非线性光纤,结合调制不稳定等非线性效应,采用光纤随机激光激发超连续谱过程,通过泵浦功率的改变可以有效调控输出带宽。光纤随机激光作为泵浦源与超连续谱激发的桥梁,可以将位于正常色散区的激光转换为超连续谱,并充分利用全开放结构的优势,获得全谱段、平坦的超连续谱。此外,通过增强分布式瑞利散射效应和有效降低开放结构激射阈值,我们首次在后向传输方向获得了超连续谱产生,通过时域动态特性分析,发现后向超连续谱具有较低的时域相对强度波动,可以用来实现具有低噪声的宽谱光源。(3)将光纤随机激光的研究拓展到多横模的维度,重点研究了多模光纤随机激光器的散斑效应及其在无散斑成像照明领域的应用。传统单模或少模光纤的使用限制了对光纤随机激光多横模特性的研究,此外基于大芯径多模光纤激射的高阈值特性也阻碍了多模光纤随机激光器的发展。我们将单模光纤随机激光结构与超大芯径阶跃折射率多模光纤结合,获得了具有极低空间相干性的多模光纤随机激光。研究表明,多模光纤随机激光除具有满足无散斑成像照明要求的低空间相干性,更得益于其激射过程带来的高光谱密度而优于传统多模非相干光源。为了满足光学相干断层扫描等成像系统对宽谱光源的需求,我们也研究了超连续谱在多模光纤中的退相干特性,并与此同时揭示了光谱宽度、光纤芯径、光纤长度对降低空间相干性的贡献,为获得高效的退相干效果提供指导。传统光纤随机激光器最大的优势是结构简单以及易于高功率/高效率输出,我们研究了大功率多模光纤随机激光的散斑特性,基于主振荡功率放大器结构获得了约56 W的高功率多模光纤随机激光,并揭示了功率增加可以激发有效横模,从而进一步降低空间相干性的现象。(4)基于上

关键词：光纤激光器光纤随机激光器模式调控脉冲激光光纤超连续谱高功率光纤激光器空间相干性无散斑成像

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光纤激光模式调控技术研究

光纤激光模式调控技术研究

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作者：李磊国防科技大学

学位级别：博士

光纤激光具有结构紧凑、输出光束质量好、热管理方便等优势,在光纤通信、遥感测绘、生物医疗和工业加工等领域发挥着重要作用。为了保持大功率光纤激光的近衍射极限输出,通常需要采取模式控制技术抑制高阶模的产生。但在特殊应用领域,例... 详细信息

光纤激光具有结构紧凑、输出光束质量好、热管理方便等优势,在光纤通信、遥感测绘、生物医疗和工业加工等领域发挥着重要作用。为了保持大功率光纤激光的近衍射极限输出,通常需要采取模式控制技术抑制高阶模的产生。但在特殊应用领域,例如,模分复用技术、结构光场产生、以及多模光纤非线性的时空调控等,产生高阶模光纤激光尤为重要。论文对光纤激光模式调控技术开展研究,主要工作包括:1、开展了阶跃折射率光纤模式特性和光纤光栅理论研究。首先,从亥姆霍兹方程出发,推导了阶跃折射率光纤矢量模和弱导近似条件下LP模的理论表达式,重点讨论了阶跃折射率光纤LP模式的传输特性。然后利用耦合模理论,建立了光纤布拉格光栅和长周期光纤光栅的仿真模型,讨论了最大折射率调制系数和光栅长度对于输出光谱的影响。结果表明,仅改变最大折射率调制系数或光纤光栅的长度,不会改变光纤布拉格光栅上各模式对应的反射谱中心波长,以及长周期光纤光栅模式转换透过谱的中心波长,为下一步利用光纤布拉格光栅实现选模输出和利用长周期光纤光栅实现模式转换奠定理论基础。2、开展了基于光纤光栅选模输出的光纤振荡器研究。设计并刻制了LP模反射峰匹配,其他模式反射峰失配的高反和低反光纤布拉格光栅,用来作为光纤振荡器的谐振腔。首次采用包层泵浦的方式实现LP模光纤振荡器运转,LP模最大输出功率为4.2 W,相对于注入泵浦光的斜效率为～38%,模式纯度为～90.2%,表明了包层泵浦条件下利用全光纤振荡器结构实现高功率LP模的输出可行性。利用LP模和LP模反射峰同时匹配的高反和低反光纤布拉格光栅,首次实现全光纤振荡器结构双波长混合模式输出。3、开展了基于长周期光纤光栅模式转换的高阶模光纤激光放大研究。设计并刻制了LP-LP模长周期光纤光栅模式转换器,用来产生高纯度LP模作为种子光。采用同带泵浦方案,实现了全光纤结构的LP模放大器运转,LP模的最大输出功率为69.1 W,相对于吸收泵浦光的斜效率为73.8%。通过实验验证了LP模和LP模在放大过程中具有几乎相同的定标放大能力。进一步搭建了半导体泵浦的kW量级LP模MOPA放大实验平台,首次实现了最高输出功率为1270 W的LP模输出。4、开展了高阶模光纤激光输出光场的相位整形研究。理论仿真了LP模和CLP(相位补偿LP模)近场和远场光斑光强分布特性,首次利用PIB值对远场LP模和CLP模的能量集中度进行了对比。然后实验验证了经过相位补偿后的LP模输出光场呈近高斯分布,聚光能力显著提高。5、开展了高阶模光纤激光输出光场的非相干叠加研究。系统设计了全光纤结构LP模环形光束和LP模高斯光束非相干叠加产生平顶光束的实验方案。首次通过串联全光纤结构LP模振荡器和全光纤结构LP模振荡器方式,实现平顶度最小为C=0.0343的平顶光束输出。6、首次提出遗传-并行梯度(GA-SPGD)全局优化算法用于数值模式分解。利用GA算法对采集到的近场和远场光斑进行全局优化搜索,得到一个最接近全局最优的模式组合。在此基础上,利用SPGD算法快速收敛的特性,对近场光斑进行优化搜索得到理论上的全局最优值。GA-SPGD算法结合了GA算法全局优化搜索优势和SPGD算法快速收敛特性。通过仿真计算的方式验证了基于GA-SPGD算法的数值模式分解的有效性和鲁棒性。7、首次对多模阶跃折射率光纤中模间交叉相位调制导致的调制不稳定性现象开展研究。利用线性稳定性分析方法推导了模间调制不稳定性的增益谱表达式,得到正常色散区发生调制不稳定性现象的判断条件。当注入模式功率相同时,调制不稳定性增益谱最大增益处的调制频率和总功率的平方根成正比,最大增益系数和总功率成正比。当注入模式功率不相同时,存在最佳功率比例系数,使得调制不稳定性获得最大增益,并且最佳功率比例系数基本不随总注入功率的变化而改变。模间群速度失配会增大调制不稳定性增益谱的中心调制频率和最大增益系数。

关键词：大功率光纤激光模式调控光纤布拉格光栅长周期光纤光栅空间整形平顶光束模式分解调制不稳定性

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锥形半导体激光器模式调控研究

锥形半导体激光器模式调控研究

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作者：杨晶晶长春理工大学

学位级别：博士

锥形半导体激光器是一种单片集成脊型主振荡器和锥形放大器的器件,脊型主振荡器通过折射率导引机制提供空间单模、小功率的种子光注入,锥形放大器通过增益导引机制对空间单模种子光进行功率放大,而不会产生空间高阶模激射。相比于传统... 详细信息

锥形半导体激光器是一种单片集成脊型主振荡器和锥形放大器的器件,脊型主振荡器通过折射率导引机制提供空间单模、小功率的种子光注入,锥形放大器通过增益导引机制对空间单模种子光进行功率放大,而不会产生空间高阶模激射。相比于传统的大功率宽区半导体激光器,锥形半导体激光器在实现高输出功率的同时,能有效地改善器件的光束质量,因而可以广泛应用于泵浦固体及光纤激光器、空间通讯等领域。但是,锥形半导体激光器仍然存在两个主要问题:一是锥形半导体激光器由于侧向结构沿腔长方向的不均匀性,其出光面反射回来的反向行波无法完全耦合进入脊波导中,引起不需要的寄生模式振荡,导致激光器侧向的空间模式（即侧向模式）特性退化;二是大功率锥形半导体激光器极易受到自聚焦和丝状发光、电过泵浦效应等非线性效应的影响,从而破坏了器件的侧向模式特性。针对上述问题,本论文主要围绕锥形半导体激光器的侧向模式和纵向模式的调控特性开展研究。从外延结构和器件结构两方面入手,分析了影响锥形半导体激光器自聚焦和丝状发光的因素,为侧向模式特性的改善提供了理论指导。提出了一种锥形放大区的分布式电极结构,抑制了电过泵浦效应,改善了激光器的侧向模式特性。开展了具有分离电极结构的锥形半导体激光器制备工艺研究,解决了脊波导和锥形放大区接口对准困难的工艺问题,并据此研制出一种脉冲锥形半导体激光器。设计了一种基于锥形DBR（T-DBR）光栅的锥形半导体激光器,分析了T-DBR光栅的纵向模式调控和寄生振荡抑制特性,并开展了器件制备工艺及器件特性测试研究。提出并制备了一种基于复合DBR光栅的双波长锥形半导体激光器,利用复合DBR光栅对不同波长的选择特性,实现了激光器件的双波长输出。具体研究工作如下:（1）开展了锥形半导体激光器空间模式调控研究。探究了非对称波导结构和无源耦合大光腔波导结构对激光器自聚焦和丝状发光的影响,通过低光限制因子外延结构的设计,降低了自聚焦和丝状发光的敏感度;分析了器件结构对自聚焦和丝状发光的影响,基于器件结构的优化设计进一步缓解了自聚焦和丝状发光效应,提升了激光器的侧向模式特性。针对锥形放大区的电过泵浦效应,提出了一种分布式电极结构,实现了有源区内部载流子分布的调控,进一步改善了激光器的侧向模式特性。（2）设计了一套具有分离电极结构的锥形半导体激光器制备工艺方案。该工艺方案借助脊波导和锥形放大区结构的共用Si O2硬掩模,通过分别刻蚀脊波导和锥形放大区结构的工艺设计,避免了传统锥形半导体激光器工艺中脊波导和锥形放大区接口处存在对准偏差的问题,极大地提升了器件的成品率。在20℃下,制备的带有光束扰流器结构的锥形半导体激光器的发射波长约为1064 nm、水平M2因子为1.38,在脉冲宽度为5 ns、重复频率为200 k Hz的情况下,获得了峰值功率为8.64 W的光脉冲输出。（3）研制了基于T-DBR光栅的锥形半导体激光器,并围绕器件的侧向模式及纵向模式调控特性开展了研究。阐明了T-DBR光栅结构抑制寄生振荡的工作机理,利用T-DBR光栅的纵模选频功能和对寄生振荡的抑制作用,实现了激光器光谱特性和空间模式特性的改善。实验结果表明,相比于具有直条DBR光栅的锥形半导体激光器,T-DBR锥形半导体激光器远场分布中的旁瓣得到了有效地消除,实现了单瓣分布;光谱的多模运行获得了明显抑制,实现了波长1046.84 nm、线宽56 pm的单峰发射;同时,通过消除跳模和多模运行,获得了无扭结的P-I特性。（4）围绕T-DBR锥形半导体激光器所需的高深宽比光栅结构开展了关键制备工艺研究。在电子束曝光过程中,采用较薄的PMMAA4抗蚀剂和Si O2薄膜形成多层抗蚀剂减弱邻近效应,有效地缓解了光栅结构图形失真和变形的问题,并借助Si O2硬掩模实现了DBR光栅的高深宽比刻蚀。分析了ICP（Inductively Coupled Plasma）刻蚀过程中光栅结构出现长草现象的原因,通过优化ICP刻蚀工艺,有效消除了长草现象,获得了周期为1.00μm、占空比为0.45、刻蚀深度为1.02μm形貌良好的光栅结构。（5）提出并制备了一种基于复合DBR光栅的双波长锥形半导体激光器。该激光器件在后腔面设计有一种复合DBR光栅,利用脊波导光场的横向扩展效应和复合DBR光栅的双波长选择特性,激光器件可以实现双波长输出。围绕该激光器件的制备工艺开展了研究,研制的激光器件获得了1025.4 nm和1036.2 nm的双波长发射,两个发射波长的线宽均小于36 pm,其最小功率差为1.2 d B;在13.8℃～20.7℃的热沉温度范围内,器件两个波长之间的光谱距离可以由10.4 nm调制到10.9 nm。

关键词：锥形半导体激光器分布布拉格反射器模式调控寄生振荡双波长

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高功率光纤激光传输与合成的模式调控技术研究

高功率光纤激光传输与合成的模式调控技术研究

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作者：周艳焰华中科技大学

学位级别：博士

高功率光纤激光器的持续发展不仅对激光传输系统带来了新的挑战,同时也对激光束能量分布提出了新的要求。负曲率空芯光纤（NC-HCFs）通过空气纤芯导光,具有非线性效应低、光损伤阈值高和模式可调控等优势,在高功率单模激光传输领域具有... 详细信息

高功率光纤激光器的持续发展不仅对激光传输系统带来了新的挑战,同时也对激光束能量分布提出了新的要求。负曲率空芯光纤（NC-HCFs）通过空气纤芯导光,具有非线性效应低、光损伤阈值高和模式可调控等优势,在高功率单模激光传输领域具有极大的应用潜力。光纤功率合束器通过将多路激光合成到单根光纤中不仅能够提高激光器输出功率,还能够对激光模式组分进行调控以输出高光束质量或特殊能量分布的高功率多模激光,对进一步拓展高功率光纤激光的应用领域具有重要研究意义。因此,本文围绕高功率激光的传输与合成,对NC-HCFs和光纤功率合束器开展了模式调控技术研究,主要包括: （1）单模低损耗传输和制备可行性是高光束质量激光传输NC-HCFs的重要特性。提出了一种NC-HCF光纤,通过调控NC-HCFs纤芯高阶模与包层泄漏模的耦合,实现了1μm波段的单模或保偏低损耗传输。对于单模光纤,其高阶模消光比高达4.65×10～4,且管环较大的直径容错率提高了光纤制造的可行性。对于保偏负曲率空芯光纤（PM-NC-HCF）结构,基模损耗低至0.005 d B/m,是第一个在1μm波段内损耗低于0.01 d B/m的PM-NC-HCF。（2）通过功率合束器提高激光器输出功率的同时保持良好的光束质量具有重要研究意义。为进一步提高3×1功率合束器输出光束质量,分析了3×1熔锥光纤束（TFB）内的横向模式耦合,以及TFB与输出光纤接点处的模式激励耦合。首次制备了输出光纤芯径为34μm的3×1功率合束器,实现了传输效率为97.2%的8.89 k W总激光输出,其输出光束呈高斯分布,M2因子为2.32,接近理论极限值2。（3）可调环模（ARM）激光由中心光束和环形光束组成,在激光加工领域前景广阔。提出了一种全光纤ARM（6+1）×1合束器结构,分析了（6+1）×1 TFB结构对中心光束和外环光束的独立传输特性以及输出光束质量的影响。根据理论分析,制备了ARM（6+1）×1合束器,在50μm纤芯内实现了中心输出光束呈类高斯分布的ARM激光。在此基础上,为进一步提高ARM激光的中心输出功率,并解决超高功率下中心能量密度过高的问题,提出并制备了一种ARM（6+3）×1合束器,在100μm纤芯内实现了中心8.8 k W且分布均匀的ARM激光输出。进一步地,提出并制备了一种由一级3×1合束器与二级（6+1）×1合束器组成的ARM级联合束器,在50μm纤芯内实现了中心8.8 k W且呈平顶分布的ARM激光输出,为高功率激光提供更广阔的应用场景。

关键词：激光传输激光合成 NC-HCFs 光纤功率合束器模式调控模式耦合

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高阶模光纤激光器及其模式调控研究

高阶模光纤激光器及其模式调控研究

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作者：吕家亮中国科学技术大学

学位级别：博士

光纤激光器由于其结构紧凑、抗干扰能力强、散热效率高等优点,在基础科学、光通信及工业激光加工等领域有着重要的应用。早期的研究主要集中于输出基横模的单模光纤激光器,近年来,高阶模光纤激光器引起了研究人员的广泛关注。高阶模式... 详细信息

光纤激光器由于其结构紧凑、抗干扰能力强、散热效率高等优点,在基础科学、光通信及工业激光加工等领域有着重要的应用。早期的研究主要集中于输出基横模的单模光纤激光器,近年来,高阶模光纤激光器引起了研究人员的广泛关注。高阶模式具有独特的强度分布、偏振分布以及相位分布,在粒子操控、表面拉曼光谱增强、激光材料加工、超分辨率成像、光通信及高功率光纤激光器系统等领域有着独特的应用价值。另外,相比较光纤中基模,高阶模具有更大有效模场面积,它可以有效的抑制光纤中非线性效应,提高光纤器件的损伤阈值,同时结合激光锁模技术,可获得超短脉冲的高阶模输出,这有利于高功率高能量脉冲光纤激光器的进一步发展。然而,目前大部分锁模光纤激光器仍是由单模光纤构成,通过模式转换器获得高阶模输出,本质上仍是基模谐振,其模式纯度和输出效率受限于模式转换器的性能,并且缺乏模式调控的灵活性。为此,本文主要对全少模光纤结构激光器进行一系列研究,实现了高效率的高阶模直接振荡的光纤激光器;并对腔内模式增益进行控制,实现输出模式灵活可调控,进而可以同时满足多种实际应用需求。本文的主要研究成果如下:1.基于少模光纤光栅和带通滤波器来抑制腔内的基模,搭建了高阶模振荡的全少模光纤激光器。获得了斜率效率为46%,模式纯度高达98.3%的高阶模连续光输出,无需模式转换器且偏振不敏感;通过使用SESAM作为锁模元件,获得了高阶模自启动的锁模脉冲光纤激光器。2.基于特殊设计的光纤滤波器和环形增益光纤来调控腔内模式的增益曲线,搭建了谐振模式可切换的全少模光纤锁模脉冲激光器。实现了斜率效率为12%,模式纯度为98.2%,脉冲宽度为31.5 ps的高阶模振荡的脉冲输出;此外,通过调节腔内模式的竞争,可以实现谐振模式在基模和高阶模之间灵活可切换。这种高效率、工作模式灵活可控的锁模光纤激光器在激光材料加工、模分复用等领域的重要应用价值。3.基于多模光纤制作全光纤可饱和吸收体,搭建了柱矢量锁模光纤激光器。宽带长周期光纤光栅作为腔内的模式转换器,实现了稳定的高阶模脉冲输出。通过简单地调节泵浦功率,高阶模激光器的工作状态可以在连续光、调Q锁模和锁模之间灵活切换。当泵浦功率为380mW时,获得了重复频率为3.592 MHz、脉宽为4.62 ns、模式纯度高达97.6%的锁模柱矢量脉冲。激光器的效率为20.2%,获得了 142mW的输出功率,最大单脉冲包络能量可达510nJ,这对于实现高能量柱矢量光纤激光器系统及其时空调控研究具有指导意义。4.基于模式注入锁定技术来提升高阶模的竞争力,搭建了高阶模直接振荡的全少模光纤随机激光器。该激光器的阈值低至88mW,并获得了纯度高达97.2%、斜率效率为7.2%的柱矢量光输出。通过改变信号光的注入功率,随机光纤激光器的谐振模式可以在基模、混合模式以及高阶模式之间灵活切换。5.提出并实现了全少模光纤随机激光器的多维度调控。采用特殊设计的Lyot滤波器来控制腔内模式增益,通过温度调谐使得各个模式经历不同的增益和损耗,实现了高效率的高阶模谐振的随机光纤激光器;在定量的温度控制下,随机光纤激光器实现了单波长、双波长以及三波长的灵活可控输出,其工作横模也能在基模和高阶模之间灵活切换。此外,进行了散斑对比度测量实验,验证了随机光纤激光器相干性的控制,这也进一步证实了该激光器在散斑抑制方面的价值。本文的创新点如下:1.提出了一种自启动的高阶模直接振荡的全少模光纤激光器。该激光器无需模式转化器件且偏振不敏感,获得了高效率的连续光高阶模输出。结合锁模技术,实现了高阶模自启动的锁模脉冲输出,这为实现任意高阶模稳定输出的光纤激光器提供了重要参考价值。2.提出了一种全少模光纤结构的谐振横模可切换的锁模光纤激光器。采用特殊设计的光纤滤波器和环形增益光纤对腔内模式增益进行调控,无需模式转化器件。首次实现了高斜率效率的高阶模直接谐振,且工作横模可在基模与高阶模之间灵活切换,在模分复用、激光材料加工等方面有着重要应用价值。3.基于非线性多模干涉结构作为全光纤可饱和吸收体,解决了基于材料可饱和吸收体的制作复杂、低损伤阈值等缺点,实现了高能量高输出功率的柱矢量脉冲。此外,激光器的工作状态在连续光、调Q锁模、锁模之间灵活可控,同时实现了角向偏振和径向偏振光束的可切换输出,这种时-空可控的高阶模光纤激光器在材料激光加工、时分/模分复用系统中具有重要应用前景。4.基于模式注入锁定技术,首次实现了高阶模直接谐振的全少模光纤随机激光器。通过控制信号光的功率,可以实现随机光纤激光器的谐振横模可控输出。5.通过温度调谐改变腔内的模式增益特性,对随机光纤激光器光谱和空间模式进行定量地调控,解决了多模/少模光纤随机激光器中强的模式竞争导致输出光谱及模式的不稳定和不可控性,获得了斜率效率高达17.9%的高阶模谐振输出。并指出了其在无散

关键词：光纤激光器高阶模式谐振柱矢量光束模式调控锁模激光器随机光纤激光器

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半导体激光光纤合束的模式调控技术研究

半导体激光光纤合束的模式调控技术研究

引用

作者：赵欣瑞中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)

学位级别：硕士

高能量工业加工、光纤通信、军用武器等的发展都需要高质量基模半导体激光,高质量意味着高稳定性、高功率密度与高模式纯度。单个半导体激光器件存在单元功率低,发散角大等缺陷,需要借助光合束与模式调控技术提升半导体激光功率与质量... 详细信息

高能量工业加工、光纤通信、军用武器等的发展都需要高质量基模半导体激光,高质量意味着高稳定性、高功率密度与高模式纯度。单个半导体激光器件存在单元功率低,发散角大等缺陷,需要借助光合束与模式调控技术提升半导体激光功率与质量。针对这一难点,基于光纤合束器件的半导体激光合束技术应运而生。作为该技术核心器件之一,光子灯笼可以实现单多模与多单模系统间的低损耗耦合,同时单路输入光调控方便,易于实现相干光合束,获得基模半导体激光输出。但是随着合束功率的提升,高功率芯径中热负荷的积累会导致光纤中两类有害效应,一是光纤中低阶模与高阶模之间发生能量转移,造成输出横模的震荡;二是有效模场面积的收缩。光纤热效应会导致合束损耗增高与横模震荡效应,使得光束质量变差,因此需要对输入的半导体激光施加更灵敏的动态调控来抑制其影响。作为自适应光学技术的应用分支,能够实现多参数调控的主动模式控制系统非常适合用于光子灯笼光合束过程中的模式调控。其能够实时监测输出光场固定位置的功率,不断调整输入光的相位、振幅与偏振等参数,基于负反馈调节保持多路输入光的相位匹配,实现合束光模式的高速动态调制,抑制横模震荡效应的影响,实现低损耗的半导体激光相干合束,并获得大功率、高基模成分比、稳定性好的高质量半导体激光输出。因此本文针对基于光子灯笼的半导体激光光纤合束技术中的模式调控展开理论、仿真与实验研究,具体内容与创新如下:第一章,本文介绍了半导体激光光纤合束的模式调控技术的国内外研究水平。指出现有的合束技术虽然可以实现高功率输出,但横模震荡效应对输出光质量的影响仍旧存在,输出光功率进一步提升受到阻碍。同时也缺乏对半导体激光光纤合束技术中模式转变过程的评价手段,无法从理论上进一步抑制横模震荡效应。基于此提出了本文的研究内容:基于高速调制的主动模式控制系统实现光子灯笼中合束光的模式调控,实现稳定的高质量半导体激光输出;并且提出一种光子灯笼模式调控波动分析方法,基于灰度矩阵提取算法分析模式震荡存在时光子灯笼对合束光的模式调控性能变化,为进一步提升合束光稳定性提供了理论与实验依据。第二章,介绍了针对半导体激光合束的模式调控技术的相关理论。分析了半导体激光合束过程中模式调控的几类技术及应用优劣,重点介绍了主动模式控制系统的控制算法、理论与参数优化方向,对随机平行梯度下降算法(Stochastic Parallel Gradient Descent,SPGD)进行优化,并将其作为控制系统的核心。同时,对比了评价模式调控效果的几类关键指标,指出了现有技术的不足,选择了高斯拟合度与角功率分布方差变化幅度分别评价光场基模成分比与稳定性,作为后续实验的主要评价指标。第三章,创新性地提出了一种灰度矩阵提取算法,用于在模式震荡较强、光束稳定性较差时测量和评估光子灯笼对合束光的模式调控能力变化情况,从而评估光子灯笼的模式控制性能,方便提升合束光模式稳定性的下一步工作。从理论基础与灰度矩阵数值准确性两方面验证了其可靠性,同时对比以往光合束器件的模式调控性能评价方法,比较了所用灰度矩阵提取算法的优势:该算法能够实现即时的性能测量,并且测量手段简单、图像分析的可靠性高达98%。最后把该算法用于半导体激光合束过程中模式调控效果评价,很好的解释了输出光质量波动情况,说明该算法稳定可靠。第四章,使用经过优化设计的主动模式控制系统进行半导体激光在光子灯笼中合束的模式调控,实现稳定的基模轮廓合束光输出。首先对光子灯笼中的半导体激光合束过程进行仿真,并进行了基于光子灯笼的模式受控的光合束实验。基于有限差分波束传播法(Finite Difference Beam Propagation Method,FD-BPM)对3×1非模选光子灯笼的光耦合过程进行仿真,对比了不同芯径比下光子灯笼合束损耗与输出光基模成分比,并根据结果优化参数,制备了3×1光子灯笼。仿真选定了芯径比为0.2的光子灯笼结构用于半导体激光合束,其传输损耗为0.45 d B,输出光基模功率占比为30%。设计并搭建了基于光子灯笼的半导体激光合束实验装置,使用优化设计后的SPGD算法作为控制核心,利用主动模式控制来实现三路基模半导体激光合束与模式调控,对比了控制系统开启前后输出光的轴上功率波动情况。实验结果表明,优化后的主动模式控制系统能够在光子灯笼中实现半导体激光合束过程的模式调控,输出合束光稳定性与质量大幅提升。考虑到光子灯笼本身存在模式损耗与插入损耗,整个光路实际测得的合束损耗<2.7 d B,输出光束的远场光斑轮廓为稳定基模形状,高斯拟合度为0.92,光场角功率分布方差波动幅度低于7%,光束质量较高。

关键词：半导体激光合束光子灯笼自适应光学模式调控灰度提取算法

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