易实现小巧、紧凑的结构设计，在国防、军事和工业加工等领域有着极其广泛的
应用。如何进yi步提高脉冲能量及功率是当前超短脉冲放大技术的研究重点。本
论文对惆啾脉冲放大(CPA)技术与自适应脉冲整形技术结合实现超短脉冲的功率
放大，以及光纤激光系统泵浦技术—激光二极管线阵的光束整形与祸合技术进
行了深入的理论与实验研究，获得的主要创新成果如下:电子元器件
该模型，shou次对CPA系统及放大器内自相位调制等超短脉冲功率放大的限制因
素进行了分别补偿，并分析了补偿过程中自适应脉冲整形的作用机理。shou次对
比了相位整形、幅度整形及二者同时整形对输出脉冲功率提高的不同效果，理
论上证明了幅度与相位同时调制的整形方式更有利于系统获得高质量、高能量
的超短激光脉冲输出，分析了不同优化参数对补偿效果的影响，研究结果对实
验系统的建立和调试具有指导意义。
2.在理论分析的指导下，参与搭建和调试了yi个自适应控制的CPA实验系统。
该系统引入自适应脉冲幅度和相位同时整形实现了高功率超短激光脉冲输出，
输出脉冲的平均功率高达12.6W，重复频率SOMHz，脉冲宽度yi170fs;系统将
为智能中红外波段脉冲产生器提供激光脉冲源，整形后脉冲经光参量过程频率
转换至中红外(mid-infrared: MIR)波长，产生可以自适应控制形状与特性参数的
MIR超短脉冲，可用于分子的相干控制实验。
3.建立了激光二极管线阵的非序列光学模型，并在此基础上设计了yi种通过均衡
线阵快慢轴方向光束参数积来提高光束质量的整形方案。该方法利用微型反射
镜和平行六面体棱镜对光束进行准直、分割及重排，消除各发光区之间不发光
间隔的影响，得到占空比为1的输出光束。整形后光束能量集中，亮度明显提
高，经球透镜聚焦后更易与光纤祸合。电子元器件
4.提出了yi种成本低廉、操作简单，材料与技术成熟、易于推广的微透镜制作方
法，并用此方法制成了分别用于激光二极管线阵快、慢轴光束准直的透镜。研
究结果表明，准直后光束消除了发光区间不发光间隔的影响，在水平和竖直方
向上的光强度重新分布，光束质量和亮度得到大幅度的提高。
5.提出了两种制作直径渐变型石英锥体的方法，拉丝法与氢氟酸腐蚀法;通过分
析它们的动态过程，得出了各自的锥体直径随长度变化的关系曲线，放大器与实测结
果yi致性较好。研究结果表明，腐蚀法制作的石英锥体与激光二极管线阵的祸
合效率较高，可达76}。因此，利用其对光束的分束聚焦功能，可以实现激光
二极管线阵对双包层掺杂光纤的侧面多点泵浦，这将极大地提高光纤激光系统
的输出功率。
激光二极管线阵因输出功率高、价格便宜而被广泛用于泵浦大输挂
体激光系统[63-66]，特别是基于双包层掺杂光纤的光纤激光器与放大瓮
激光二极管线阵〔67-68]的特殊结构却导致其输出光束不仅在快慢轴方(p
的、不对称的发散角，而且平均光强度较弱，直接泵浦光纤激光器和澎
率非常低;同时，其发光区域的长条形状也给激光二极管线阵实际用于
系统的泵浦造成了很大的困难。因此，必须shou先对激光二极管线阵的辅
行整形，再通过适当的光纤祸合器件完成其与双包层掺杂光纤的藕合。
激光二极管线阵的光束整形(beam shaping)是指针对其快慢轴方向光束质量及
尺寸与发散角相差悬殊这yi问题所进行的光束变换，目前比较典型且具有实用价
值的实现方法可以分为以下三种:
1.利用光纤及光纤束转换器【69]、渐变折射率透镜(GRIN)阵列[70-72]等对激
光二极管线阵的输出光束进行分割准直或聚焦。这种方法可以使激光器的输出光
束得到汇聚，达到提高功率密度的目的，但并不能提高泵浦光的亮度，对光束质
量的改善没有实质作用。不过，经这种方法整形后的输出光束通常由于光斑大小
与光纤端面尺寸相当而易与光纤祸合。受此启发，本文中作者提出了yi种利用多
根直径渐变型石英锥体对激光二极管线阵的输出光束进行分束聚焦祸合的方法，
该方法可以使激光二极管线阵的输出光束以较高的功率转换效率变换到光纤端面
尺寸，并且避免了复杂的光束整形系统的引入;若进yi步将经石英锥体分束后的
激光功率应用到光纤束侧面泵浦藕合技术中，还能够在泵浦双包层光纤时集中整
个线阵激光器的输出功率于yi个二极管泵浦点，有利于提高单位掺杂光纤长度上的信号
增益。
2.通过改变光束参数积、改善光束质量实现光束整形。例如，阶梯反射镜整
形法【73]、多棱镜阵列整形法【74]、棱镜组折反射光束整形法【75]、微片棱镜堆线
光束整形法[76]、双反射镜整形技术[77]、多反射镜组合整形法以及倾斜45。的柱
透镜阵列整形法【78-79]等。这yi类光束整形方法是通过将激光二极管线阵的输出
光束分割、旋转、重排，达到均衡光束参数积、提高光束质量的目的【80]。整形时，
通常利用特殊的光束变换系统把光束在慢轴方向的狭长光斑切割成数段，并堆积
在快轴方向，同时尽量保持变换前后发散角度不发生改变;这样处理后，慢轴方
向的光束质量因光斑尺寸减小而得到提高，二极管快轴方向的光束质量则由于光斑尺寸
的增大而有所降低，光束质量在快、慢轴方向上得到均衡，光束亮度大大提高。
此外，由于该方法在本质上提高了泵浦光源的光束质量，因此，整形后光束对光
纤激光器和放大器进行泵浦时藕合效率的增大也会更加明显。依据该类方法的思
想，作者提出了yi种利用抛物面反射镜和平行六面体棱镜对激光二极管线阵的输
出光束进行分割重排的整形方法。在这yi方法中，抛物面反射镜的特殊作用使激
光二极管线阵各发光区的输出光束在彼此分开的同时还达到了良好的准直效果，
因此，与已有方法相比，该方法不仅能使整形后光束快慢轴尺寸相近，能量集中，
质量明显提高，而且可以消除激光二极管线阵各发光区之间不发光间隔的影响，
得到占空比为1的输出光束【81]0
3.利用二元衍射光学元件[82-84」实现光束整形。二极管二元衍射光学元件是指基于
光波的衍射理论，利用计算机辅助设计和超大规模集成电路制作工艺，在基片或
传统光学器件表面上刻蚀产生两个或多个台阶深度的浮雕结构，形成的yi类纯相
位、同轴再现、衍射效率极高的衍射光学元件。这yi类元件对激光二极管线阵输
出光束的整形是通过改变光束的相位来校正光束的传播方向，起到类似于前面提
到的透镜和棱镜组合的作用而实现的。利用二元衍射光学元件进行光束整形有利
于实现祸合光学系统的小型化、阵列化和集成化，这是由于这类元件不但体积小、
重量轻而且易于复制。电子元器件
激光二极管线阵用于泵浦双包层光纤时，其输出光束经整形聚焦后的数值孔
径和光斑尺寸必须分别小于双包层掺杂光纤内包层的数值孔径和直径。因此，为
保证整形效果，通常需要对激光二极管线阵的输出光束进行预先准直，以尽可能
地压缩光束在快、慢轴方向的发散角，也可以在光束整形的同时实现光束准直【81]0
然而，大多数用于激光二极管线阵的光束准直系统〔73,77,81,85-88]都存在光学设计
过程复杂、器件尺寸精细、对制作工艺要求较高的问题。为此，作者提出了yi种
成本低廉且简单易行的微透镜制作方法，并利用此方法制做了分别用于激光二极
管线阵快、慢轴光束准直的微透镜。该透镜组合在对激光二极管线阵的输出光束
进行准直的同时还消除了各发光区间不发光间隔的影响，使准直后光束在快、慢
轴方向上的强度得以重新分布，亮度大幅增加，光束质量大大提高。由于该方法
采用的是纯石英材料和光纤拉丝技术，因此更加易于推广应用。
激光二极管线阵输出激光与掺杂光纤的藕合效率除了与整形后光束的质量和
光功率密度有关之外，还与具体采用的泵浦祸合方式有关。激光二极管线阵与双
包层光纤的泵浦藕合可以分为端面泵浦[89]与侧面泵浦[90-93]两种，其中，端面泵
浦原理简单且藕合效率较高，可以利用透镜将光束聚焦藕合进入光纤端面或将泵
浦尾纤与有源光纤yi端直接熔接实现泵浦光的藕合【94-97]。其缺点是zui多只能通
过光纤的两个端面注入泵浦光，不仅减少了泵浦光与增益介质的接触点个数，而
且严重影响了泵浦系统的灵活性与有效性。相反的，侧面泵浦方式则不但可以使
光纤端面空闲出来，还可以根据实际需要对激光器或放大器在激光传输方向上进
行多点泵浦以提高注入掺杂纤芯的泵浦光功率，因此在高功率光纤激光系统中具
有广泛的应用前景。在已有的双包层光纤侧面泵浦祸合技术中，可以直接用于激
光二极管线阵与光纤藕合的只有锥型平板波导「98-99]和二元金属衍射光栅电子元器件
[100-101]技术两种;激光二极管线阵发光区域的长条形状严重影响了其与光纤祸
合时的灵活性。然而，利用前面提到的直径渐变型石英锥体藕合器件，却可以通
过对激光二极管线阵的输出光束进行分束聚焦而使其适用的泵浦方式得到拓展。
分束聚焦后的每yi路激光都具有与光纤端面尺寸相当的光斑大小，因而可以采用
激光二极管适用的多种侧面泵浦藕合技术与光纤藕合二极管，包括V形槽技术「102-103],
内嵌棱镜技术[93,104]、微型棱镜技术【105]、光纤角度磨抛技术【106-107]以及熔锥
树权技术【108-109]等。
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