基于空间合束的高功率激光系统

摘要

激光合束是目前国际上激光技术领域的研究热点之一，其目的是将多束激光合为一束输出，是大幅提升激光输出功率和辐射亮度的有效手段。本文对高功率激光光纤耦合传输技术、激光空间非相干合束技术进行了实验和工程研究，实现了光纤传输万瓦级激光输出。主要的研究内容如下:
　　从光纤的数值孔径和耦合公式出发，采用大孔径光学耦合系统设计原理，选择结构简单，装调方便的四镜透射式结构，研制出一种高功率半导体激光光纤耦合器，满足了500W级976nm激光光纤耦合传输的技术要求。传输光纤选用折射率阶跃型多模石英光纤，纤芯直径440μm，数值孔径0.22;以弯曲光纤的理论分析为基础，开展了光纤弯曲程度与传输功率损耗的研究，得出了将光纤弯曲半径控制在50cm以上，以降低激光在光纤内传输时因光纤弯曲所造成的能量损耗。
　　基于理论分析，采用空间合束与非相干合束相结合的方式对合束器进行了光学和结构设计，高功率激光空间非相干合束器由扩束准直与合束聚焦两个独立部分组成。利用软件仿真及优化，分别设计出了扩束准直透镜组参数以及合束焦距为别为400mm、500mm、600mm时的合束聚焦透镜组参数，获得了不同合束焦距下合束激光光束横截面功率呈高斯态分布的仿真分析图。在此基础上，对合束器进行了工程结构设计与封装。
　　从激光合束系统的整体构架出发，分别设计和构建了配电系统、激光器驱动电源集成系统、水冷系统以及数字控制系统四大子系统。基于高功率激光光纤耦合传输技术、高功率激光空间非相干合束技术成功研制的万瓦级高功率激光系统，实现了在一定焦深范围内光纤传输单束万瓦级激光输出。合束激光的辐射功率可以通过调节激光器驱动电流或增减参与合束的激光的路数来实现，而合束激光的整体光束质量不受影响;合束过程中光功率的整体损耗率低于2％;合束激光焦距与焦深及束腰可根据实际需要选择不同的合束聚焦透镜组来实现;可通过提高每路输入激光的最大输出功率进而获得更高功率范围内的合束激光输出。经检测，合束后获得的单束激光波长976nm、输出功率达到10552W，功率不稳定度小于2％。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 高功率激光器简介

1．1．1 高功率固体激光器

1．1．2 高功率光纤激光器

1．1．3 其他类型的高功率激光器

1．2 高功率激光应用举例

1．2．1 激光熔覆

1．2．2 激光武器

1．2．3 激光的其他应用

1．3 半导体激光器

1．3．1 半导体激光器的工作原理

1．3．2 半导体激光器的优点

1．4 高功率半导体激光器

1．4．1 高功率半导体激光器的研发现状

1．4．2 合束用高功率半导体激光器

1．5 课题研究的来源及文章说明

1．5．1 课题研究来源

1．5．2 文章说明

第二章 激光光纤耦合传输技术

2．1 光纤耦合技术

2．1．1 光纤的数值孔径和耦合条件

2．1．2 高功率半导体激光光纤耦合技术研究

2．2 光纤传输技术

2．2．1 弯曲光纤中光线传导理论分析

2．2．2 高功率激光光纤传导研究

2．3 本章小结

第三章 激光空间非相干合束技术

3．1 空间非相干激光合束

3．1．1 远场合束效果的理论分析

3．1．2 合束方案的研究

3．2 高功率激光合束器

3．2．1 合束器的光学设计

3．2．2 激光合束的模拟仿真

3．2．3 合束器的封装

3．3 本章小结

第四章 高功率激光合束系统

4．1 合束系统的搭建

4．1．1 配电子系统

4．1．2 驱动电源集成子系统

4．1．3 水冷子系统

4．1．4 数字控制子系统

4．1．5 系统总装

4．2 合束效能的实验研究

4．2．1 改变各路输入激光的激光功率研究合束输出激光的功率变化

4．2．2 改变输入激光的路数及输入点位置研究合束激光的功率变化及焦距焦斑情况

4．2．3 不同合束焦距不同功率输出下的实验研究

4．2．4 合束系统的整体测试与运行

4．3 合束系统的实际应用——激光与岩石相互作用研究

4．4 本章小结

第五章 总结与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间取得的科研成果

作者简介