高功率半导体激光叠阵外腔法谱合束系统的光束传输与控制研究

High power diode lasers have extensive applications in many fields such as intelligent manufacture and laser radar. However, due to the special structure of diode lasers, the beam quality degrades obviously with the increasing power, which limits their applications. The spectral beam combining technology has been proven to be an effective way to achieve beams with high power and good beam quality. However, in practical applications, the optical power and beam quality often degrade, and the reason of the degradation is not very clear. In this project, by utilizing the ray tracing method, the finite element analytic method, and the optical feedback diode laser rate equation, researches on spectral beam combining systems based on diode laser stacks will be performed, which contains beam propagation in the grating external cavity, oscillating mode competition in the inner cavity, and thermal deformation of optical elements. Beam properties such as powers, beam qualities and spectra will be quantitatively analyzed. The purpose of this project is to find out the physical reason of the degradation of beam quality and the loss of the optical power, and propose feasible solutions. Our studies can provide beneficial references for the development of high power diode laser direct source.

高功率半导体激光器在智能制造、激光雷达等领域有着巨大的应用前景。但半导体激光器的特殊原理和结构决定了它在追求高功率输出的同时光束质量会劣化，导致其应用范围受限。谱合束技术被证明是解决该问题的关键技术之一，但仍存在光功率和光束质量退化等问题，且退化机理尚不十分明确。本项目采用光线追迹法、有限元分析法和光反馈半导体激光器速率方程，开展半导体激光叠阵谱合束系统的光栅外腔中光束传输变换、内腔中振荡模式竞争机制、高功率激光辐照下元件热形变等关键性物理问题研究，定量分析影响输出功率、光束质量和光谱特性的主要因素及其权重，旨在揭示谱合束过程中光束质量退化和输出功率损耗的物理机制，并提出有效解决方案，为高功率半导体激光直接光源的发展提供有益参考。

半导体激光器已经应用到多个学科领域，目前谱合束光源的高功率、高质量和强稳定性的物理机制尚不明确，这是制约我国半导体激光朝着高亮度发展的主要因素。但谱合束系统存在功率损耗大、主瓣效率降低等问题。本项目研究内容汇报如下：.一、叠阵光束在光栅外腔中的传输变换研究。针对半导体激光阵列的smile效应和激光模式复杂性，建立了快慢轴两个方向上含有smile效应的半导体激光阵列模型，分析了快慢轴光束传输过程，模拟了smile效应导致的位置误差、指向误差和发散角对合成光束的光束质量和光斑分布的影响，通过优化光源参数和元件参数，改善光束质量和提高合束效率,相关研究发表于Optics Communications。.二、光栅外腔中光束串扰和内腔振荡模式竞争机制研究。从波动光学和速率方程组的角度出发，分析了合束单元间的互锁原理，并分析了互锁对子单元线宽、稳定性的影响，提出了压窄合成光束谱宽进而消除互锁的方案。根据ASAP光学软件建立的光谱合成仿真模型，发现造成互锁的主要因素包括指向角偏差、慢轴准直镜准直范围、光源位置、快慢轴准直镜以及变换透镜位置，开展上述参数的容限问题分析，并对半导体材料类型进行了初步探索,相关研究发表于西华大学学报和Advanced Electronic Materials。.三、关键光学元件在高功率激光辐照下热效应研究。针对高功率激光系统的热效应，分析了长时辐照下变换透镜的温度分布和热分布。热形变元件改变光束传输径迹，导致光斑亮度下降和光束质量变差。揭示元件热形变对光束传输特性的影响规律，通过优化元件材料热物理性质参数的方式减小热形变，进而控制光束质量。杂散光反馈易导致内腔中耦合振荡、自激振荡等现象，分析耦合腔的振荡模式竞争的物理原理，分析光束串扰行为，加强系统稳定性, 相关研究发表于Optik。