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范例一：(K=图书馆学 OR K=情报学) AND A=范并思 AND Y=1982-2016
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文献类型

1 篇 学位论文

馆藏范围

1 篇 电子文献
0 种 纸本馆藏

日期分布

学科分类号

1 篇 工学
- 1 篇 光学工程
- 1 篇 仪器科学与技术
- 1 篇 电子科学与技术（可...

主题

1 篇 半导体激光合束
1 篇 灰度提取算法
1 篇 光子灯笼
1 篇 自适应光学
1 篇 模式调控

机构

1 篇 中国科学院大学

作者

1 篇 赵欣瑞

语言

1 篇 中文

检索条件"主题词=灰度提取算法"

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详细简洁

排序：

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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