高亮度、窄线宽激光二极管阵列

高功率激光二极管阵列具有效率高、结构紧凑、使用寿命长等优点，在许多领域得到了广泛的应用，例如：工业、军事、医疗等领域。然而，高功率激光二极管阵列也有两个缺点：①光谱比较宽;②慢轴方向的光束质量比较差。这两个缺点制约了高功率激光二极管阵列在许多方面的应用。本项目应用三种技术：离轴光谱组束技术，光栅反馈的离轴外腔技术，光栅反馈的离轴外Talbot腔技术来改善激光二极管阵列输出激光光束质量，压缩光谱的线宽以及产生相干的激光输出。研究了制约改善光束质量，线宽和相干性的关键因素如："smile"效应，激光器输出端面反射率等，并通过各种新的技术和方法来减小这些影响。这些技术可以扩展到二维阵列(stack)中应用，并且实验装置中使用的元件简单、便宜，这为将来高亮度、窄线宽激光二极管阵列的产业化，提供研究基础。此外，高功率、高亮度的激光在军事领域内也具有重要意义。

高亮度、窄线宽激光二极管阵列在材料加工，军事等领域具有重要的应用。本项目主要研究了改善激光二极管阵列输出激光光束质量，相干性和光谱线宽的方法。项目的主要研究内容分为5个部分：（一）激光二极管阵列的场分布理论模型、仿真计算及实验测量；（二）同时改善激光二极管阵列光束质量和光谱线宽研究；（三）单反馈外Talbot腔激光二极管阵列相干组束技术；（四）双反馈外Talbot腔激光二极管阵列相干组束技术；（五）激光二极管阵列离轴光谱组束技术。在本项目中我们提出了组合模的概念，并计算了组合模的近场分布和远场分布，计算结果表明了组合模的远场分布呈现双峰结构，并通过实验进行了验证。根据组合模的远场分布特征，我们设计了可以同时改善激光二极管阵列光束质量和光谱线宽的双反馈外腔,外腔设计为离轴结构，运用这种实验装置，输出激光线宽压缩到0.15nm,束宽积（BPP）减小到283mm.mrad。由于其中的一个反馈元件使用了光栅，当二极管的工作温度从22度变化到28度时，输出激光中心波长几乎不变。在同时改善激光二极管阵列光束质量和光谱线宽的研究中，我们分析了“smile”效应对外反馈的影响，提出了减小“smile”效应对外反馈的影响的两种方法。为了实现激光二极管阵列输出激光具有好的相干性，我们分别使用了离轴外Talbot腔单反馈技术和双反馈技术实现了激光二极管阵列发光单元之间的相位锁定，完成了激光二极管阵列的相干组束。单反馈外Talbot腔，反馈元件采用了平面高反镜，系统可以输出相干激光，光谱线宽也有所改善，但是改善程度并不明显。采用了双反馈的离轴外Talbot腔技术，外反馈元件分别为高反镜和光栅。与单反馈Talbot腔相比，这种双反馈的Talbot腔在远场产生的干涉条纹数量更少，对比度更高，即相干性更好。我们通过理论分析和计算模拟表明，空间模式的数量对相干性有重要的影响。采用双反馈Talbot腔具有更强的空间模式选择能力，因此输出激光有更好的相干性。双反馈的外Talbot中的一个支路采用了光栅反馈，因此同时具有很强的光谱选择能力，输出的激光的光谱线宽变的非常窄，达到了0.15nm。总之，双反馈外离轴外Talbot腔不仅实现了高相干性的激光输出，而且输出激光的线宽也非常窄。在本项目中，离轴光谱组束技术也被用来改善激光二极管阵列输出激光光束质量，与传统的光谱组束技术相比，离轴光谱组束装置，将离轴结