壳体结构对激光器输出功率的仿真及实验研究

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半导体激光器实验报告

半导体激光器实验报告

半导体激光器实验报告摘要:本文旨在通过对半导体激光器的实验研究,探索其基本原理、结构和性能,并分析实验结果。

通过实验,我们了解了激光器的工作原理、调制和控制技术以及其应用领域。

在实验过程中,我们测量了激光器的输出功率、光谱特性和波长调制特性等参数,并对实验结果进行了分析和讨论。

1.引言半导体激光器是一种利用半导体材料作为活性介质来产生激光的器件。

由于其小尺寸、高效率和低成本等优点,半导体激光器被广泛应用于通信、光存储、医学和科学研究等领域。

本实验旨在研究不同结构和参数的半导体激光器的性能差异,并通过实验数据验证理论模型。

2.实验原理2.1 半导体激光器的基本结构半导体激光器由活性层、波导结构和光学耦合结构组成。

活性层是激光器的关键部分,其中通过注入电流来激发电子和空穴复合形成激光。

波导结构用于限制光的传播方向,并提供反射面以形成光腔。

光学耦合结构用于引导激光光束从激光器中输出。

2.2 半导体激光器的工作原理半导体激光器利用注入电流激发活性层中的电子和空穴,使其发生复合并产生激光。

通过适当选择材料和结构参数,使波导结构中的光在垂直方向形成反射,从而形成光腔。

当光经过活性层时,激发的电子和空穴产生辐射跃迁,并在激光器中形成激光。

随着光的多次反射和放大,激光逐渐增强,最终从光学耦合结构中输出。

3.实验步骤3.1 实验器材本实验使用的主要器材有半导体激光器装置、电源、光功率计、多道光谱仪等。

3.2 实验过程首先,将半导体激光器装置与电源连接,并通过电源控制激光器的注入电流。

然后,使用光功率计测量激光器的输出功率,并记录相关数据。

接下来,使用多道光谱仪测量激光器的光谱特性,并记录各个波长的输出光功率。

最后,调节激光器的注入电流,并测量波长调制特性。

完成实验后,对实验数据进行分析和讨论。

4.实验结果与分析通过实验测量,我们得到了半导体激光器的输出功率、光谱特性和波长调制特性等数据,并对其进行了分析。

实验结果显示,随着注入电流的增加,激光器的输出功率呈现出递增趋势,但当电流达到一定值后,增长速度逐渐减慢。

激光器结构调试实验

激光器结构调试实验

激光器结构调试实验激光器(laser)是一种能够产生单色、相干、高强度光束的设备,它在科研、医疗、通信等领域有广泛的应用。

激光器的结构调试实验是激光器研发和应用的基础工作,本文将介绍一种常见的激光器结构调试实验流程。

一、激光器结构调试实验前的准备工作在进行激光器结构调试实验前,首先需要对激光器的工作原理和结构有一定的了解,了解激光器的主要组成部分和各部分的功能。

同时,还需要准备实验所需的设备和器材,如激光器主体、电源、波长计、功率计等。

二、激光器泵浦源调试激光器的泵浦源是激活激光材料的能源,泵浦源调试是激光器结构调试的第一步。

首先,需要根据激光器的工作波长选择合适的泵浦源。

然后,将泵浦源与激光器主体连接,并设置合适的泵浦功率。

通过调节泵浦功率和泵浦持续时间,观察激光器的输出功率和光束质量的变化,找到合适的泵浦参数。

三、激光腔调试激光器的腔内是激光材料和反射镜的组合,用于产生激光。

激光腔调试是激光器结构调试的重要环节。

首先,需要调节激光腔的长度,使得腔内产生的激光波长与激光器设计的波长相匹配。

其次,需要调整反射镜的位置和角度,以实现激光在腔内的多次反射,增强激光的放大效应。

最后,通过调整腔内的激光材料的浓度和温度,进一步提高激光器的输出功率和光束质量。

四、激光器输出光束调试激光器的输出光束质量直接影响到激光器的应用效果,因此,激光器输出光束调试是激光器结构调试的最后一步。

首先,需要使用波长计测量激光器的输出波长和光谱宽度,以确定激光器的工作状态是否满足需求。

其次,使用功率计测量激光器的输出功率,以评估激光器的性能。

最后,观察激光器的光束质量,利用光束质量测试仪或干涉仪检测激光器的光束直径、发散角等参数,以评估激光器的光束质量。

在进行激光器结构调试实验时,需要注意以下几点。

首先,要确保实验操作安全,避免对眼睛产生伤害,必要时需要佩戴防护眼镜。

其次,要仔细阅读激光器的使用说明书,并按照说明书进行实验。

He-Ne激光器的输出模式实验研究

He-Ne激光器的输出模式实验研究

相邻纵模的频率间隔大小:
不同的横纵模就会有不同的波长,序数越大,波长越短。

通常只需要知道具有几个不同的横模和不同的纵模间的频率差:
(3)其中,Δm,Δn 分别表示x,y方向上横模模序数差,R1,R2是谐振腔的两个反射镜的曲率半径。

相邻横模频率间隔为[4]:
2 实验结果分析与讨论
实验中使用的器材有:半外腔
焦球面扫描干涉仪、示波器、锯齿波发生器和光电
图1 He-Ne激光器模式分析实验装配图TEM00
频谱图图2 He-Ne激光器基横模TEM00光斑和频谱图
TEM01
频谱图图3 He-Ne激光器TEM01模光斑和频谱图
TEM10
频谱图图4 He-Ne激光器TEM10模光斑和频谱图
TEM11
频谱图图5 He-Ne激光器TEM11模光斑和频谱图。

第8小组实验报告——激光合束仿真

第8小组实验报告——激光合束仿真

激光合束的Mathematica数学仿真实验姓名:王帅、柳月波、邱伟瑶、任少铎、童昶组别:第八组班级:华科辅修光电信息工程0901班指导老师:王英2010-5-3实验研究背景一、一、实验研究背景光纤激光器的原理:光纤激光器主要采用掺稀土元素的光纤作为增益介质。

由于光纤激光器中光纤纤芯很细,在泵浦光的作用下光纤内极易形成高功率密度,造成激光工作物质的激光能级“粒子数反转”。

因此,当适当加入正反馈回路(构成谐振腔)便可形成激光振荡。

另外由于光纤基质具有很宽的荧光谱,因此,光纤激光器一般都可做成可调谐的,非常适合于WDM系统应用。

它跟据光纤激光器的谐振腔采用的结构分为Fabry-Perot腔和环行腔两大类。

也可根据输出波长数目将其分为单波长和多波长等。

不同类型光纤激光器的特性主要应考虑以下几点:(1)阈值应越低越好;(2)输出功率与抽运光功率的线性要好;(3)输出偏振态;(4)模式结构;(5)能量转换效率;(6)激光器工作波长等。

光纤激光器的主要优点是它是波导式结构,可容强泵浦,具有高增益、转换效率高、阈值低、输出光束质量好、线宽窄、结构简单、可靠性高等特性,易于实现和光纤的耦合。

实验研究内容二、二、实验研究内容需要解决的问题需要解决的问题::多个光纤激光器的输出光束进行相干合成是获得高功率、高光束质量激光的有效途径,两个光纤激光器从准直器输出,设输出光束的束腰在准直器出光口附近,请仿真研究两束光在远场处的相干合成效果。

(装置参数:x=10mm,每个准直器输出光斑直径4mm,光波波长1微米,辅助透镜f=500mm)问题的近似和处理思路问题的近似和处理思路::这个问题可以近似为单色平面波照射一个无限大的挡光板上连个相距10mm,半径为2mm 的圆孔,光波波长为0.001mm,紧贴挡光板有一个焦距为500mm 的薄透镜,假设正入射时其复振幅透过率是常数1.这样问题就转变为了求两个圆孔夫琅禾费衍射和光场的光强分布问题了。

高能激光武器的毁伤机理及飞行器防御途径分析

高能激光武器的毁伤机理及飞行器防御途径分析

高能激光武器的毁伤机理及飞行器防御途径分析高能激光武器是发射激光束直接毁伤军事目标的新概念武器。

近几年来,美国高能激光武器的研制取得了突破性进展,其机载激光器即将投入实战。

据预测,从2006年到2025年间,美国的机载、车载、舰载、地基、天基五大类平台的高能激光武器将陆续进入实战部署阶段,主要用于毁伤导弹、飞机、卫星等空中目标。

高能激光武器以光速传输电磁能,导弹、飞机、卫星等超音速运动目标与光速相比近似于静止目标,因此在毁伤目标时无需计算提前量,瞬间即中。

高能激光武器主要依靠红外探测器捕捉、跟踪目标,作战过程不受电磁波干扰,防御方难以利用电磁干扰手段降低其命中目标的概率。

高能激光武器发射时无后坐力,转移火力快,可在360°范围内调整火力,击中一个目标后只需调整一下角度即可攻击另一个目标,从而能在短时间内大批毁伤空中目标。

不难看出,高能激光武器投入实战后,将导致毁伤空中目标方式的革命性变革,人们将不得不面对这一严酷的现实。

搞清高能激光武器对空中目标的毁伤机理,对于防御激光武器是非常重要的。

高能激光武器的破坏效应主要有热烧蚀破坏效应、激波破坏效应和辐射破坏效应。

本文将对这三大破坏效应的毁伤机理进行初步分析,并探讨相应的防御途径或措施。

热烧蚀破坏效应激光照射到目标上后,目标材料物质的电子由于吸收光能产生碰撞而转化为热能,使材料的温度由表及里迅速升高,当达到一定温度时材料被熔融甚至气化,由此形成的蒸气以极高的速度向外膨胀喷溅,同时冲刷带走熔融材料液滴或固态颗粒,从而在材料上造成凹坑甚至穿孔,这种效应称为热烧蚀破坏效应。

热烧蚀破坏效应是激光武器最重要的毁伤手段。

1,热烧蚀破坏效应的特性实验表明,热烧蚀破坏效应与激光光源参数、外界环境参数和材料物质参数密切相关。

激光光源参数包括激光波长、功率密度、激光作用时间、激光束的时空结构(脉冲或连续波)等;外界环境可以是真空环境、各种大气环境和人工设计的具有易反射或易吸收功能的各种环境;材料物质的参数既包括材料的比热系数、热传导系数、热扩散系数、熔点等热物理性能参数,也包括材料的弹性模量、屈服强度、拉伸断裂强度等力学性能参数。

第五章激光原理及仿真

第五章激光原理及仿真

第5章 激光原理及仿真第5章第1页第5章 激光原理及仿真引言激光, 英文名称LASER,全称是Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (通过受激辐射达到光的放大),指通过受激辐射放 大和必要的反馈,产生准直、单色(monochrome)、相干(coherent) 的光束的过程及仪器。

产生激光3个要素:“谐振腔”(resonator)、“增益介质”(gain medium)及“抽运源”(pumping source)。

激光的原理早在1916 年已被著名的物理学家爱因斯坦发现,但直到1960 年科学家才首次在实验条件下获得激光。

激光是20世纪以来,继原子能、 计算机、半导体之后,人类的又一重大发明,被称为“最快的刀”、“最 准的尺”、“最亮的光”和“奇异的激光” 。

本章主要介绍激光的基本原理,包括激光器的结构、速 率方程及其数值仿真。

第2页第5章 激光原理及仿真本章主要内容5.1 激光发展简介 5.2 辐射与物质的相互作用 5.3 自发辐射、受激辐射和受激吸收 5.4 吸收与光学增益 5.5 激光器的基本构成和激光的模式 5.6 激光速率方程 5.7 激光调Q技术 5.8 激光二极管抽运的被动调Q微晶片激光器仿真第3页第5章 激光原理及仿真5.1 激光发展简介20世纪30年代爱因斯坦描述了原子的受激辐射。

在此之后人们很 长时间都在猜测,这个现象可否被用来加强光场,因为前提是必须有 粒子数反转存在。

而这在一个二级系统中是不可能的。

首先人们想到 了三级系统,而且计算证实了辐射的稳定性。

1958年,美国科学家肖洛和汤斯发现了一种神奇的现象:当他们将氖 光灯泡所发射的光照在一种稀土晶体上时,晶体的分子会发出鲜艳的、 始终会聚在一起的强光。

根据这一现象,他们提出了“激光原理”, 即物质在受到与其分子固有振荡频率相同的能量激励时,都会产生这种 不发散的强光——激光。

基于ansys workbench的激光器壳体结构优化设计

基于ansys workbench的激光器壳体结构优化设计

I 主题:特种期工技术*~Special Machining Technology2020年第[期基于ANSYS Workbench 的激光器売体结构优化设计**山东省重点研发计划(2016GGX43⑵;山东省重大科技创新工程(2017CXGC0809);山东省重大科技创新工程(2018CXGC0808);山东省重点研发计划(2019GGX104030);山东省科学院国际科技合作计划(2019GHPY21);山东省重大科技创新工程(2019JZZY010452)马新强成巍任远何建群吴明伟(齐鲁工业大学(山东省科学院)山东省科学院激光研究所,山东济南250103)摘 要:激光器壳体作为激光器光路固定的重要功能构件,对激光器的光束稳定性及光斑质量、系统效率起到关键作用。

基于ANSYS Workbench 软件对激光器壳体进行静、动态特性分析,确定模态频率与结构振型之间关系,得到壳体薄弱环节。

通过增加筋板结构对激光器壳体进行优化,优化结果显示,静态综合变形量减小23・9 %,最大应力减小15・8 %,各阶固有频率有所提升,平均增幅为15.9 %,结 构优化良好,为后期激光器设计优化提供了参考。

关键词:激光器壳体;动态性能;固有频率;结构优化中图分类号:TH122文献标识码:ADOI : 10.19287/j ・ cnki. 1005-2402.2020.01.002Structural optimization design for the laser support structure based on ANSYS WorkbenchMA Xinqiang, CHENG Wei, REN Yuan, HE Jianqun, WU Mingwei(Laser Institute , Qilu University of Technology ( Shandong Academy of Sciences) , Jinan 250103 ,GHN)Abstract : As an important functional component of the laser optical system , the laser support structure plays a keyrole in the Laser beam quality , stability and system efficiency of the laser. The static and dynamic charac ­teristics of Laser support structure were analyzed based on ANSYS Workbench. The relationship between the modal frequency and the structural mode were determined , and the weak part of the shell was ob ­tained. The laser shell is optimized by adding the stiffened plate . The optimization results show that the total deformation is reduced by 23.9%, the maximum equivalent stress is reduced by 15・8%, the natural frequency o£ each mode is improved , the average increase is 15.9%。

高效激光器的性能仿真与优化设计

高效激光器的性能仿真与优化设计

高效激光器的性能仿真与优化设计激光技术在现代科学和工业领域中发挥着重要的作用。

为了实现高效的激光输出,性能仿真与优化设计是关键步骤。

本文将介绍高效激光器的性能仿真与优化设计方法。

激光器是一种将能量转换为强烈且单色的光束的设备。

它可以在科学研究、医疗、通信和材料加工等领域得到广泛应用。

为了提高激光器的输出效率和品质,性能仿真与优化设计是必不可少的工具。

性能仿真是通过数值模拟来研究激光器的工作原理和特性。

在仿真过程中,我们可以利用计算机模拟出光的传播过程、能量损耗和波长选择等关键因素。

通过这些仿真模拟,我们可以更好地理解激光器的内部结构和工作机制,从而针对性地进行优化设计。

首先,激光器的性能仿真可以帮助我们优化光场分布和模式控制。

光场的分布决定了激光器的光束质量和聚焦能力。

采用数值模拟方法,我们可以对激光器的共振腔结构和输出光场进行优化。

例如,通过改变激光器的谐振器长度、反射镜的曲率半径和位置以及光学器件的位置,我们可以使得激光器的光束更加均匀和聚焦度更高,从而提高激光器的性能。

其次,性能仿真还可以用来优化激光器的波长选择和输出功率。

不同应用领域对激光器的波长和功率有不同的需求。

通过数值模拟,我们可以研究激光泵浦和放大机制,进而优化激光器的波长选择和输出功率。

例如,在激光器设计中,我们可以改变光纤的长度和掺杂浓度,以改变激光器的波长和增益特性。

通过这些优化设计,我们可以获得更加高效和稳定的激光输出。

此外,性能仿真还可以用于优化激光器的温度控制和热管理。

激光器在工作过程中会产生大量热量,如果不能有效地管理和控制热量,可能会导致激光器性能下降或故障。

数值模拟可以帮助我们分析激光器的热扩散和热应力等问题,并找到最佳的散热设计和温度控制策略。

例如,通过优化激光器的散热结构和风扇的位置,我们可以提高激光器的散热效率,降低温度波动,从而提高激光器的稳定性和性能。

最后,性能仿真还可以用于优化激光器的材料选择和工艺设计。

激光器的输出特性-激光器的输出功率

激光器的输出特性-激光器的输出功率
未来,超快激光器的发展将更加注重提高稳定 性和可靠性,拓展应用领域,并有望在光子学、 量子计算等领域发挥重要作用。
新材料、新结构激光器的研究与发展
随着科技的不断进步,新型材料和结构不断涌现,为激光器的研发提供 了新的机遇和挑战。
新材料、新结构激光器具有更高的性能指标和更广泛的应用前景,如全 固态激光器、光纤激光器、微纳激光器等。
01
利用激光能量对病变组织进行照射,具有创伤小、恢复快、副
作用少等优点。
激光诊断
02
利用激光技术对生物组织进行无损检测和诊断,如光谱分析、
荧光成像等。
激光美容
03
利用激光能量对皮肤进行美白、祛斑、除皱等处理,改善皮肤
质量。
通信与信息处理
光通信
利用激光的相干性,实现高速、大容量、长距离的通信传输。
光存储
最大输出功率适用于需要评估激光器性能和极限的场合,如科学研 究、高功率激光应用等。
03
激光器输出功率的影响因素
泵浦源的功率与效率
泵浦源的功率决定了激光器能够激发的工作物质的总能量。 一般来说,泵浦源的功率越高,激光器的输出功率也会相应 提高。
泵浦源的效率指的是泵浦源转换为激光能量的效率,高效率 的泵浦源能够将更多的输入能量转换为激光能量,从而提高 激光器的输出功率。
05
激光器输出功率的应用
材料加工
激光切割
利用高功率激光束对材料 进行切割,具有精度高、 速度快、热影响区小的优 点。
激光焊接
通过激光束将材料熔化并 连接在一起,具有高强度、 低变形、无污染等优点。
表面处理
利用激光能量对材料表面 进行硬化、熔覆、合金化 等处理,提高材料性能。
医学诊断与治疗

CO2激光器功率分布的实验测量及数值模拟

CO2激光器功率分布的实验测量及数值模拟

CO2激光器功率分布的实验测量及数值模拟吴钟壮;伏云昌;刘洪喜;张晓伟;王传琦;李俊昌【摘要】In order to obtain the analytic expression for C02 laser power distribution, the power distribution of a C02 laser was measured with thermal paper at the different heights and output power. The experiment images of the laser spot were processed with MATLAB, and a numerical model of laser power distribution was built up and compared with the experimental spot. The obtained analytic expression was verified with the measurement results in laser heat treatment experiments and calculation results of temperature field. The experimental results were in good agreement with the theoretical calculation. The results show that it is feasible to measure the laser power distribution with thermal paper, and it is practical to calculate the power distribution based on the analytic expressions.%为了获得大功率CO2激光功率分布的解析表达式,采用热敏纸测量大功率CO2激光器在不同功率和高度时的激光功率分布,用MATLAB软件对实验光斑进行图像处理,建立了数学模型模拟激光功率分布,并与采集光斑进行了比较.通过激光热处理实验及温度场计算验证激光功率分布模型,取得的实验结果和理论计算相符合.结果表明,采用热敏纸测量大功率CO2激光功率分布的方法是可行的.得到的功率分布的解析表达式可作为理论计算的条件,具有一定意义.【期刊名称】《激光技术》【年(卷),期】2012(036)004【总页数】4页(P512-515)【关键词】激光器;激光功率;激光热处理;硬化带;温度场模拟【作者】吴钟壮;伏云昌;刘洪喜;张晓伟;王传琦;李俊昌【作者单位】昆明理工大学理学院,昆明650093;昆明理工大学理学院,昆明650093;昆明理工大学材料科学与工程学院,昆明650093;昆明理工大学材料科学与工程学院,昆明650093;昆明理工大学材料科学与工程学院,昆明650093;昆明理工大学理学院,昆明650093【正文语种】中文【中图分类】TN248.2+2近年来,随着激光技术的不断发展,激光热处理技术也越来越受到人们的关注,在航空、军事、机械电子、材料表面热处理等工艺中都得到广泛的应用[1-5]。

输出功率测量

输出功率测量

信息与通信工程学院实验报告(操作性实验)课程名称:激光原理与技术实验题目:激光器谐振腔的变化调整与输出功率测量指导教师:凌秀兰班级:15050441 学号:1405044117 学生姓名:杨萍一、实验目的和任务1、了解氦氖激光器的构造,加深激光器物理概念的理解;2、理解激光谐振原理,掌握激光谐振腔的调节方法;3、调整谐振腔,监测谐振腔改变时氦氖激光器的输出功率。

二、实验仪器及器件半外腔激光器、功率计、导轨、十字叉板、调节固定器件、光源。

三、实验内容及原理氦氖激光器(简称He-Ne激光器)由光学谐振腔(输出镜与全反镜)、工作物质(密封在玻璃管里的氦气、氖气)、激励系统(激光电源)构成。

其中,增益介质就是在毛细管内按一定的气压充以适当比例的氦、氖气体,当氦、氖混合气体被电流激励时,与某些谱线对应的上下能级的粒子数发生反转,使介质具有增益;而就谐振腔而言,腔长要满足频率的驻波条件,谐振腔镜的曲率半径要满足腔的稳定条件。

总之腔的损耗必须小于介质的增益,才能建立激光振荡。

考虑到调节的难度,本实验选择半外腔激光器,结构类似图2-1的外腔激光器,区别是半外腔的前腔镜是固死无需调节的,只需调节后腔镜即可,并且调节后腔镜也降低了激光突然出光对人眼的伤害(激光后腔镜溢出的尾光很微弱)。

在该实验中,需要做的先是调节支架,调节输出镜与全反镜之间平行度,使激光器工作时处于输出镜与全反镜相互平行且与放电管垂直的状态,输出激光四、实验步骤1、将各元件按照图4-1所示摆放到导轨上;2、接通电源,激光管中荧光亮起,人眼通过十字叉板中心的小孔观察,会看到一个明显圆形亮斑,上下左右微动十字叉板,使该圆形亮斑均匀对称居中出现在视野中;3、仔细观察,可看到圆形亮斑中心还有一个更亮的小亮点,进一步上下左右微调十字叉板,使通过小孔看到的小亮点位于圆形亮斑的正中心,此时十字叉板不再动。

打开台灯从斜前方照亮十字叉板,可通过小孔看到由后腔镜反射出的十字叉像(如图4-2);4、调节后腔镜的二维俯仰旋钮,十字叉像会随之移动,直到十字叉像的中心与之前观察到的小亮点重合,理论上激光器即可出光;5、若出光,则将功率指示器放置于半外腔激光器前出光口,监测输出功率,进一步调节后腔镜二维俯仰,使输出功率最大并记录,然后改变腔长和腔镜监测功率,完成表5-1并分析规律;否则,重新检查一遍,或者使十字叉在小亮点周围小范围来回移动扫描,直至出光。

大功率光纤激光器的关键单元技术研究的开题报告

大功率光纤激光器的关键单元技术研究的开题报告

大功率光纤激光器的关键单元技术研究的开题报告1.选题背景和意义激光源是现代科学、工业和军事领域中不可或缺的重要设备之一,其中光纤激光器因其输出稳定、体积小、自然免受外界干扰的特点而备受关注。

然而,目前光纤激光器输出功率受限于光纤本身所能承受的功率极限,难以进行大功率输出,这严重制约了其应用范围和发展。

因此,对于光纤激光器的大功率输出进行研究具有重要现实意义和深远影响。

2.研究内容本次研究旨在针对光纤激光器大功率输出的问题,重点探究关键单元技术,包括:(1)高功率光纤的设计和制备:研究合适材料和工艺条件,制备出能承受高功率输出的光纤。

(2)光纤激光器光伏特效应的影响:探究光伏特效应对输出功率的影响,并寻求相应的抑制方法。

(3)光纤激光器的散热设计:研究如何通过优化散热系统,使光纤激光器在大功率输出时能够保持稳定性。

(4)控制系统的设计:研究如何实现对光纤激光器输出功率的精准控制,以及对发射和接收系统的系统监控和故障诊断。

3.研究方法和技术路线本次研究采用实验和理论分析相结合的方法,具体技术路线包括:(1)光纤设计和制备:选取适宜材料,探究制备晶体光纤和石墨烯增强光纤的方法。

(2)光伏特效应的影响:通过数值模拟和实验研究,改善光纤激光器的输出特性。

(3)散热设计:探究光纤激光器在高功率输出时产生的热量,并研究制冷系统的设计和优化。

(4)控制系统的设计:研究采用控制算法对光纤激光器进行精准控制,并结合实时监测和故障诊断系统,确保光纤激光器系统操作的安全可靠性。

4.研究成果预期(1)成功设计出能够承受高功率输出的光纤,大幅提高光纤激光器输出功率。

(2)通过研究光伏特效应,进一步提高光纤激光器输出功率的稳定性和精准度。

(3)通过优化散热系统,保证光纤激光器在大功率输出时的工作稳定性。

(4)设计出高精度控制系统,保证光纤激光器输出功率的可控性和安全性。

5.研究难点和解决思路(1)光纤材料的选择和制备:需要尝试多种材料和工艺条件,优选出适合大功率输出的光纤设计方案。

一种激光输出功率同步测量装置[实用新型专利]

一种激光输出功率同步测量装置[实用新型专利]

专利名称:一种激光输出功率同步测量装置专利类型:实用新型专利
发明人:汪永一,蒋磊,殷双雄
申请号:CN201720458102.7
申请日:20170427
公开号:CN206892312U
公开日:
20180116
专利内容由知识产权出版社提供
摘要:本实用新型提供一种激光输出功率同步测量装置,包括壳体,壳体内由左至右依次设有激光器、分光镜和光纤,激光器发射出原始光束,分光镜将原始光束分成透过光主光束和反射光分光束,分光镜的分光比大于90%,透过光主光束通过光纤在壳体的光输出端输出,壳体的外壁上设有激光功率计和报警装置,反射光分光束进入到激光功率计中,激光功率计上设有显示屏,激光功率计内设有微控制器,激光功率计与微控制器的输入端电连接,显示屏和报警装置与微控制器的输出端电连接,本实用新型采用高分光比90%以上的分光镜,激光损耗小,测量误差小,结构简单,稳定可靠,而且可实时模拟显示激光输出功率的数值,防止当激光衰减后输出功率不足。

申请人:天津市雷意激光技术有限公司
地址:300000 天津市南开区红日南路42号(环兴科技园)B座105-108室
国籍:CN
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关于双频微片激光器的输出特性仿真

关于双频微片激光器的输出特性仿真

关于双频微片激光器的输出特性仿真本文主要仿真出雙频微片激光器的的输出特性,从而模拟激光器在真实环境下的输出数据。

标签:双频激光器;仿真;MATLAB1 本文的目的及意义近年来,LD 泵浦双频Nd:YAG 激光器成为发展大频差、超大频差双频激光器的主要研究对象。

因为Nd:YAG 晶体在室温下的荧光线宽约为150~180GHz,具有各向同性的特性,LD 泵浦Nd:YAG 激光器容易实现基横模输出,并且阈值低,斜效率高,输出功率稳定,为发展大频差、超大频差双频激光器提供了条件。

由于双频激光干涉系统测量速度的快慢和测量精度的高低对于双频激光器频差的大小依赖性大,那么频差尽可能大的双频激光光源就显得非常需要,因此研究大频差和超大频差双频激光器意义重大。

2 理论模型微片激光器一般是通过在激光增益介质两端镀膜来形成谐振腔的,所以其腔长一般比较短,易于实现单纵模激光输出。

根据谐振腔原理可知,光在谐振腔内振荡形成驻波场,其本征频率满足条件:v=qc/2Ln,其中q=1,2,3…为轴向模或纵模的阶数,c 为真空中的光速,L 为激光器腔长,n 为增益介质的并有两个波形同时输出,但是两个波长的峰值不同,它们之间有一个高度差,这称为光强差。

在第一次脉冲的时候,而,而在第二次脉冲时两个光波都明显下降,几乎只有第一次脉冲的一半。

合并后的光波长也如图3-1所示,同样第一次脉冲的波长,而第二次脉冲的波长。

在改变初始条件nint=[0.88;0.88;0;0]后,光谱的输出有了明显的变化。

我们发现,第一次脉冲在改变初始条件后并没有明显的变化,而第二次脉冲的波长和上图相比都在减小。

此时在图3-2中第二次脉冲波长。

从而我们发现初始条件的改变对龙格-库塔算法的影响。

随着初始条件的减小,第二次脉冲的波长也减小,反之亦然。

从图3-3发现,改变了抽运脉冲速率wp=7后,输出波形也发生了明显的变化,从原来的两次脉冲变成了单次脉冲,脉冲高度与之前的第一次脉冲高度一致。

一种半导体激光器及其壳体结构[实用新型专利]

一种半导体激光器及其壳体结构[实用新型专利]

专利名称:一种半导体激光器及其壳体结构专利类型:实用新型专利
发明人:周少丰,陈华为,王书平
申请号:CN202121979545.3
申请日:20210819
公开号:CN216134093U
公开日:
20220325
专利内容由知识产权出版社提供
摘要:本实用新型涉及一种半导体激光器及其壳体结构,在提供的其中一种方案中,壳体结构包括用于容置激光模块的第一腔体、第二腔体、散热板、和至少一层铜网;第二腔体设于背离所述第一腔体的一侧,第二腔体包括底壁,底壁上设有固定部;散热板用于封住所述第二腔体的开口端,散热板与第二腔体形成的密闭空间真空设置且内设有冷却液;铜网上设有若干毛细孔和若干气孔。

上述半导体激光器在相同体积下的热传导能力是固体铜的两倍以上,可以减少芯片结温,延长芯片寿命;可以使芯片更集中布置,有利于光路设计,提高单体半导体激光器功率。

申请人:深圳市星汉激光科技股份有限公司
地址:518100 广东省深圳市宝安区福海街道新和社区蚝业路39号旭竟昌工业园厂房B4栋5层国籍:CN
代理机构:武汉瑞创星知识产权代理事务所(普通合伙)
代理人:曹雄
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功率激光器用封装外壳及功率激光器[实用新型专利]

功率激光器用封装外壳及功率激光器[实用新型专利]

专利名称:功率激光器用封装外壳及功率激光器专利类型:实用新型专利
发明人:高迪,李玮,何峰,高海光,孙静,李天娇
申请号:CN202123325635.3
申请日:20211227
公开号:CN216672168U
公开日:
20220603
专利内容由知识产权出版社提供
摘要:本实用新型提供了一种功率激光器用封装外壳及功率激光器,属于激光雷达技术领域,包括金属底盘以及金属墙体,沿金属底盘安装面的四周设有第一应力缓冲槽,第一应力缓冲槽的外部构成支撑部;金属墙体焊接于支撑部上。

本实施例提供的功率激光器用封装外壳,在金属底盘上设置应力缓冲槽,能够减小钎焊焊接应力,可以解决芯区平面度超差的问题,满足激光器安装以及芯区光学元件焊接需求;另一方面能够减小或避免由于钎焊应力导致金属底盘的变形,进而避免金属墙体上光窗焊接面的变形,避免光窗焊接后出现一定比例的裂纹,避免气密性失效,满足封装气密性要求。

申请人:河北中瓷电子科技股份有限公司
地址:050200 河北省石家庄市鹿泉经济开发区昌盛大街21号
国籍:CN
代理机构:石家庄国为知识产权事务所
代理人:李荣文
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壳体结构对激光器输出功率的仿真及实验研究

壳体结构对激光器输出功率的仿真及实验研究

壳体结构对激光器输出功率的仿真及实验研究
冀小刚;张志新;王端;陈燕;鲁飞;付世斌
【期刊名称】《制造技术与机床》
【年(卷),期】2022()11
【摘要】半导体激光器作为一种精密仪器,壳体结构对激光器工作时输出功率的稳定性至关重要。

基于ANSYS Workbench软件对壳体进行有限元分析,得到壳体前8阶固有特征频率和相应振型,发现壳体薄弱环节。

结合实验验证光路模块安装在壳体薄弱环节与非薄弱环节下,对半导体激光器输出功率的影响。

仿真结果表明:壳体振型主要表现为整体与局部变形,薄弱环节主要分布在壳体几何中心位置处。

实验结果表明:通过比较壳体不同位置下的实际输出功率,发现壳体薄弱处输出功率最大误差为10%,非薄弱处最大为4%。

为后期优化半导体激光器的结构设计与提高其输出功率的稳定性提供参考。

【总页数】6页(P59-64)
【作者】冀小刚;张志新;王端;陈燕;鲁飞;付世斌
【作者单位】中北大学环境与安全工程学院;西北机电工程研究所;陆军装备部驻北京地区军事代表局;陆军装备部装备项目管理中心;西安北方庆华机电有限公司【正文语种】中文
【中图分类】TN243
【相关文献】
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3.连续Nd:YAG激光器输出功率曲线双峰结构的理论与实验研究
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3.5激光器的输出功率

3.5激光器的输出功率
23
则激光器内行波的平均光强I可以化为:
I

Is
2LG0 (
1)
2 a1 t1
激光器输出光强也可以表示为:
I out
t1I

Is 2
2LG0 t1( a1 t1
1)
图(3-11) 谐振腔内光强
若激光器的平均截面为A,则其输出功率为:
1
2LG0
P AIout 2 t1Is A( a1 t1 1)
GD (ν0 )
GD0 (ν0 ) 1 (I I)
Is
G阈
GD (ν0 )
GD0 (ν0 ) 1 (I I)
Is
G阈
若用平均光强2I来替 I (z,ν0 ) I (2L z,ν0)
则光波在腔中的平均增益系数可表示为: 图3-13 非均匀增宽激光器的“烧孔效应”
由能量守恒定律可得: I (2L) I (0) I out I h (a1 t1)I ( 2L)
(6) 平均行波光强
对于腔内任何一处z都有两束传播方向相反的行波I+(z)和 I -(2L-z)引起粒子数反转分布值发生饱和,增益系数也发生 饱和,近似用平均光强2I代替腔内光强 I+(z)+ I -(2L-z),用
功率下降图为单模输出功率P和单模频率νq的关系曲线。在v =v 0处,
曲线有一凹陷。称作兰姆凹陷。
如果我们使单纵模输出的激光器的谐振频率由小到大变化,
逐渐接近 时ν,0 输出功率也逐渐变大,但当频率 变ν到
ν0
1
I Is
ν 2
ν ν0
1 I ν Is 2
此范围时,该光波在增益系数的曲线上对称“烧”的两个孔 发生了重叠,直到ν ν0 增益曲线上的两个孔完全重叠, 输出功率下降至一个最小值。
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壳体结构对激光器输出功率的仿真及实验研究张志新王端陈燕鲁飞付世斌(①中北大学环境与安全工程学院,山西太原0__;②西北机电工程研究所,陕西咸阳__;③陆军装备部驻北京地区军事代表局,山西太原0__;④陆军装备部装备项目管理中心,北京__;⑤西安北方庆华机电有限公司,陕西西安__)半导体激光器相较于传统激光器而言,具有体积轻巧、高效率、高可靠性与低能耗等优点。

因此,半导体激光器目前已被广泛应用于物理学、化学、生物医学、通讯技术、加工技术、工业检测和军工武器等领域,几乎渗透到所有自然科学领域[1-2],已成为当前的研究热点。

随着科技的发展,半导体激光器的输出功率在不断提高,在各种应用领域中,半导体激光器逐渐取代了传统气体与固体激光器,占据主导地位,发展成为最快的一种激光技术[3-6]。

由于半导体激光器是一种敏感器件,在实际使用中,仍存在诸多潜在的因素影响着半导体激光器的输出功率。

国外学者Huang R K、Avrutin E[8-9]和Klehr A研究发现随着电流的不断增加,会造成载流子的泄漏,从而造成半导体激光器内部的损耗,导致输出功率的下降。

2014 年,Hao T等人研究证明了腔长超过2 mm 时纵向空间烧孔效应会对激光器的最大输出功率产生一定的影响。

2018 年,Ryvkin B S[12-13]等人研究发现半导体激光器在高温下的光损耗会影响激光器的输出功率,并通过抑制作用提高其输出功率。

国内研究学者何培文运用Matlab 软件对激光输出功率随环境温度变化的规律进行了数值模拟,验证了激光的输出功率受环境因素的影响且与环境温度成反比。

2019 年,王鑫等人开展了半导体激光器腔面蒸镀钝化膜对输出功率的影响研究。

采用ZnSe 材料作为钝化膜,发现使用该材料制备出的器件输出功率提高了23%。

杨彬等人研究发现对安装板施加一定螺钉预紧力时产生的变形,会影响激光器输出功率的稳定性。

马新强等人通过有限元仿真软件对激光器壳体进行优化设计,优化后的结构可提升激光光束的稳定性。

综上所述,这些因素都将导致半导体激光器输出功率的波动,影响着半导体激光器输出功率的稳定性。

故对半导体激光器的输出功率需要权衡考虑各个要素,使激光器各方面性能尽可能达到最优。

光源的稳定性影响着半导体激光器的精度和输出的准确性,激光器外部壳体作为光路模块的重要载体,在一定程度上决定了激光器输出功率的稳定性。

国内外学者对于壳体结构对半导体激光器输出功率的影响研究较少,因此,研究壳体结构对半导体激光器输出功率的影响尤为重要。

本文以半导体激光器壳体为研究对象,应用ANSYS Workbench软件对壳体分别进行静态分析和模态分析,得到壳体前8 阶固有频率和相应振型,结合静态分析确定壳体薄弱环节,并通过实验进行验证。

在Workbench 中主要通过材料库Engineering Data 来定义材料属性,选择结构钢作为激光器壳体的材料。

激光器壳体的材料模型在展开有限元分析时可分为线性、各向同性与各向异性等,壳体的物理参数主要包括材料密度、杨氏模量和泊松比等,具体物理参数如表1 所示。

表1 半导体激光器材料参数采用SolidWorks 三维制图软件对激光器壳体进行实体建模。

为保证有限元分析尽可能的准确,模型尺寸与实体尺寸一致为360 mm×330 mm×100 mm,壳体壁厚为3 mm,所见模型如图1 所示。

选用SolidWorks 软件构建壳体模型并保存为STEP 格式,导入ANSYS 软件中进行后续有限元分析。

图1 壳体三维模型由于只研究壳体结构对半导体激光器输出功率的影响,且激光器内部光路较为复杂,含有多种器件与零部件,增加了后续有限元分析的难度。

故作如下假设:(1)假定壳体内部任意一点的力学性质都是连续的,如密度、应力、位移和应变等。

(2)假定壳体是由均匀材料构成,其各部分的物理性质均相同。

(3)假定壳体内部任意一点在各个方向上都具有相同的物理性质。

(4)假定壳体在外力作用下所产生的变形远小于其自身的几何尺寸。

(5)假定对局部特征和光路输出影响较小的零部件,如螺栓和散热口等进行了简化和删除处理。

根据半导体激光器实际情况,分别设置不同的边界条件。

由于半导体激光器壳体水平放置,底部的4 个支撑脚采用位移全约束,施加外载荷,大小为100 N。

壳体还受到自身重力作用,重力加速度方向为-Y方向。

为保证计算结果的精度和收敛性,壳体内部其余模块均被惯性载荷代替。

合理地划分网格决定了半导体激光器壳体仿真模型分析结果的正确性与可靠性,半导体激光器壳体结构采用三角形、四边形和四面体进行智能网格划分,壳体结构网格的质量由网格数量、边长及曲率控制。

在分析壳体结构特性时,由于壳体较薄,故采用比较粗略而又均匀的结构单元网格,设定网格单元尺寸大小为2 mm,得到共342 182 个节点和172 357 个单元,此外网格平均质量为0.81,这样可以使半导体激光器壳体结构质量矩阵和刚度矩阵的网格元素相接近,从而可以减小半导体激光器壳体结构数值仿真计算误差,网格划分如图2 所示。

图2 壳体有限元模型从图3 中可以看出,当网格数从17 万变至73万时,随着网格数的增加,综合变形量和模态频率均无明显变化,说明所设置的网格数量对计算结果几乎无影响。

图3 网格无关性验证结果图静力学分析主要用于分析固定载荷作用下的结构响应,不考虑研究系统的惯性和阻尼对结构体的影响。

通常需满足3 个假设条件:在线性分析系统中研究系统相对整体系统产生较小变形;其次要考虑线性材料变形行为;最后固定载荷的施加是一个均匀缓慢的过程。

通过求解半导体激光器壳体静力学分析,得到计算出的激光器壳体模型的综合变形及X、Y、Z方向变形云图如图4 所示。

图4a 所示为综合变形云图,变形量为41.76 μm,位置位于壳体几何中心位置,这是由于激光器壳体重力和壳体内部各模块的压力所导致的,故以此为光路安装区域,可能会对输出功率产生影响;图4b 所示为X方向的变形云图,变形量为1.7 μm,变形位置集中在壳体顶部区域,这是由于壳体顶部在惯性载荷下产生压缩变形;图4c 所示为Y方向的变形云图,变形量为0.65 μm,变形位置主要集中在激光器壳体前端位置,由于几何中心产生压缩变形,故该区域产生拉伸变形,又因该区域壳体四周都可为其提供支撑,所以较X方向的变形云图要小;图4d 所示为Z方向的变形云图,变形量为4.78 μm,变形位置主要集中在激光器壳体末端侧壁位置,也产生拉伸变形,变形量要稍大于X和Y方向的变形。

图4 变形云图模态分析运用了振动理论,来确定结构本身所拥有的基本振动特性。

文中探讨了半导体激光器壳体结构的各阶固有频率和振型,研究壳体的各阶模态特性,有限的避免共振或特定频率引起的振动[20-21]。

壳体结构简化后的运动微分方程为式中:[M]为质量矩阵;[C]为阻尼矩阵;[K]为系统刚度矩阵;f(t)为节点载荷阵列。

计算壳体结构的固有频率和振型时,几乎不受阻尼的影响,故忽略阻尼同时令外部激振力为0,其自由振动方程简化为当激光器壳体结构发生简谐振动时,其简谐运动转化为式中:z为各节点的振型;ω为振型相对应的频率。

将式(3)代入式(2)得因此就激光器壳体运动结构的模态分析而言,方程(4)的特征值为ωi2;ωi为壳体运动结构自身的固有圆周频率,方程的特征向量为{φi}。

通过求解上述方程组,可得到方程的固有特征频率,其表示形式如下方程的特征向量{φi}描述壳体振动结构的振型,即壳体运动结构以频率fi振动时的形态。

根据振动理论,选取ANSYS Workbench 的特有Modal 模块展开对激光器壳体结构的模态研究,使用Subspace 法进行求解,得到壳体前8 阶模态频率及振型图如表2 和图5 所示。

表2 壳体前8 阶模态频率图5 模态振型图从图5a~h 激光器壳体结构的模态分析结果可以看出,壳体结构主要表现为两种不同的振动类型:一种是以激光器壳体结构整体振动形式为主,多表现为垂向弯曲、弯曲扭转与二者的组合振动;另一种则表现为激光器壳体结构某处局部结构为主的局部振动,表现为单向摆动或竖直方向上的振动。

各阶具体振动形态及相对应频率分析如下:一阶模态是激光器壳体结构的局部振动,表现为壳体顶部在__Y平面上的竖直上下振动,最大振幅发生在激光器壳体结构上表面的尾部,在频率为113.33 Hz 条件下,可能发生的最大振幅可达47 mm。

二阶模态是激光器壳体结构的局部振动,表现为壳体顶部与底部在__Y平面上的竖直上下振动,壳体顶部振幅有两处,在频率为201.72 Hz 的条件下,可能发生的最大振可达44 mm。

三阶模态是激光器壳体结构的局部振动,表现为壳体底部在__Y平面上的竖直上下振动,振幅集中在壳体底部的中心位置,在频率为213.29 Hz 的条件下,可能发生的最大振幅达37 mm。

四阶模态是激光器壳体结构整体振动,表现为激光器壳体结构整体在Y-Z平面发生扭转振动,振幅集中在壳体顶部靠后位置,在频率为232.22 Hz 的条件下,可能发生的最大振幅达33 mm。

五阶模态是激光器壳体结构整体振动,表现为激光器壳体结构整体在Y-Z平面发生S 型摆动,振幅集中在壳体顶部位置,在频率为265.93 Hz 的条件下,可能发生的最大振幅达30 mm。

六阶模态是激光器壳体结构局部振动,表现为激光器壳体结构在__Y平面发生上下摆动,振幅主要集中在壳体靠后位置处,在频率为333.99 Hz 的条件下,可能发生的最大振幅达45 mm。

七阶模态是激光器壳体结构局部振动,表现为激光器壳体结构在__Y平面发生上下摆动,振幅集中在壳体底部位置,在频率为361.75 Hz 的条件下,可能发生的最大振幅达68 mm。

八阶模态是激光器壳体结构局部振动,表现为激光器壳体结构在__Y平面发生上下摆动,振幅集中在壳体顶部位置,在频率为379.91 Hz 的条件下,可能发生的最大振幅达40.8 mm。

4.1 试验步骤对仿真结果进行验证,将光路模块分别安装在不同的位置,位置1 为激光器壳体前端,为壳体非薄弱环节,综合变形较小处,位置2 为激光器壳体正中央处,为壳体薄弱环节。

实验采用WPL-Y__-A22-__-50W-LCD 激光点火系统,将光路模块分别内置于位置1 和位置2 处,开启激光二极管驱动电源,驱动激光器工作产生激光,并通过LPM-50C光功率计分别对光路模块处于不同位置处时进行测试,采集激光输出的不同实际输出功率,搭建的实验平台如图6 所示。

图6 激光器不同位置下的功率测试4.2 测试结果分析半导体激光器输出功率是由激光器的工作电流决定的,但机身工作时产生的频率会和半导体激光器的固有频率产生共振,会影响激光器输出功率的稳定性。

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