强激光辐照下硅基片超薄多层金属镜的热畸变

对硅基片超薄多层金属镜在CO2 激光辐照下的热特性进行了实验观测与理论分析。给出了超薄多层镜的结构设计方案 ,以及不同激光功率情况下镜面热变形与激光照射时间的关系曲线。结果表明 ,当反射镜吸收功率为 12 0W ,光照时间为 4s时 ,普通硅镜的热变形量为 0 71μm ;同等条件下硅基片超薄多层金属镜最大热变形量仅为 0 2 5 μm。理论计算与实验结果基本相符。     

高功率CO2激光作用下硅镜热畸变的动态过程研究

以光学干涉方法,实验研究了在CO2激光束入射在硅镜上,硅镜热畸变的动态过程。在变形之初,硅镜镜面的位移量变化迅速。对于一面70mm,厚8mm的硅镜,吸收激光功率140W,作用时间4s时最大挠变形0.76μm.这对于高功率短波长激光器而言是不可忽略的。     

高功率激光反射镜热畸变补偿结构设计与仿真

为了研究激光反射镜热畸变补偿结构的设计,在分析激光腔镜热变形行为的基础上,采用优化镜体结构,提出了一种减少入射激光光斑区域镜面热畸变的途径——热畸变自补偿激光反射镜,并与普通硅镜的热变形情况进行了比较.结果表明,当反射镜反射率为98%、入射激光功率为7kW、激光照射时间分别为2s,4s和10s时,普通硅镜镜面中心与光斑边缘处的热变形之差分别为0.167μm,0.174μm和0.172μm;而热畸变自补偿激光反射镜镜面中心与光斑边缘处的热变形之差分别为0.092μm,0.052μm和0.027μm.该研究结果对提高高能激光腔镜热效应稳定性、改善高能激光光束质量具有一定参考价值.     

超薄水冷多层镜在万瓦激光打靶实验中的应用

本实验室万瓦横流CO2激光器腔镜通常采用水冷铜镜结构,在几秒有效作用时间内难以达到热平衡状态,因而镜面热变形大,输出光斑功率密度分布不均匀.为了满足飞行器激光破坏试验的基本要求,在实验过程中,采用了超薄水冷多层镜以有效减小镜面变形,改善光束质量和输出光斑均匀性.试验用超薄水冷多层镜物理直径为φ68 mm,镜面厚度小于1 mm,采用获国家发明专利的多层沟槽结构,在相同条件下热吸收变形仅为普通铜镜的1/20. 试验共进行了各种平板试件10炮、充压圆筒模拟试件8炮.由于采用了"超薄激光多层不变形镜"专利技术,实验过程中确保了激光功率和输出模式的稳定性.特别是输出光斑功率密度均匀性比普通水冷镜有本质上的改进和提高,使本次试验所取得的实验数据和实验曲线准确可靠,特别是充压圆筒在连续波激光作用下破坏过程的应力、温度分布规律曲线,为飞行器储箱和助推器在连续波激光辐照下的生存能力提供了重要的依据和改进方向.(OE2)     

高功率多层水冷硅基反射镜的研究

设计了三分支、螺旋形流道的硅基水冷镜结构,并利用ANSYS程序对流速1.6 m/s,水静压1.5×105 Pa时的水冷硅镜尺寸进行了优化设计,并模拟了该尺寸下的热变形情况.实验证明,对于直径80 mim的硅镜,在净吸收热量100w时,最大热变形为0.186μm,并可长时间维持该数值不变.光照停止,继续通水冷却时,在0.75 s内,镜面变形量恢复了0.063μm;10.5 s时,镜面变形量为0.038μm.结合上述二点,多层水冷硅基反射镜可在高功率激光中得到应用,可满足激光武器的快速连发要求.     

变形镜在激光辐照下热畸变有限元模拟

利用有限元分析软件数值模拟了固体激光器系统中由单晶硅（Silicon）、石英（Silica）与超低膨胀玻璃（ULE）等不同材料制作的变形反射镜受激光辐照下的热畸变特性。计算结果表明:当入射激光功率密度为0.225 kW/cm2,激光照射时间为10 s,镜面反射率为99.9%时,三种材料的变形镜的最大温升分别为0.804、6.751与7.122℃,最大热变形分别为0.049 3、0.034 8与0.005 m,相比之下,单晶硅温升较小,超低膨胀玻璃（ULE）的变形与应力最小,ULE是未来比较理想的镜面材料。最后,对变形镜在长脉冲激光辐照下也进行了计算与分析。     

1315nm高反射率硅镜的膜系分析

随着高功率激光器,尤其是化学氧碘激光器(COIL)的不断发展,对激光光学元件的性能要求越来越高.为了满足实际需要,用于COIL的高反射硅镜的反射率应达到99.95%以上,以减少镜面热畸变,提高其抗激光损伤能力.早在十多年前,美国的有关专家就把激光薄膜作为急待解决的关键技术.近年来,国外的强激光薄膜发展很快,1315 nm波长高反射镜的反射率已达99.9%以上,有的甚至达到99.99%. TiO2/SiO2膜系是目前制备高反射镜采用最多的膜系.该膜系比较成熟,制备工艺较为稳定.但该膜系的本征吸收较大,影响到激光损伤阈值的提高.而且材料组合相对较不稳定,峰值波长易受湿度的影响.若采用Si和SiO2做镀膜材料,用于1.0～3.0 μm波长范围,薄膜吸收极小,而且耐久稳定.由于Si在红外区的折射率较高,因此仅需要较少的膜层数、较薄的膜层厚度即可满足设计使用需要,大大提高了镀膜效率.本文利用TFCALC薄膜设计软件对TiO2/SiO2 和Si/SiO2 膜系中心波长为1.315 μm的硅镜反射特性进行了仿真模拟.给出了Si薄膜折射率与基板温度的关系曲线,以及正入射与45°斜入射情况下Si/SiO2 膜系硅镜的反射特性;膜厚控制误差为±10%时,对反射率的影响等.(OH11)     

高功率激光反射镜变形的半导体致冷补偿的研究

激光谐振腔中的反射镜在激光作用下其镜面产生变形，使反射镜面偏离原设计要求。实验表明，半导体致冷铜镜和硅镜可以很好地补偿激光热变形，使反射镜在承受激光功率的时候，其镜面面型保持不变。此外，半导体致冷镜还有无压力变形、致冷量可控、致冷均匀等优点。     

高功率激光反射镜热变形补偿的实验研究

研制了一套由环形半导体温控片、半导体温控片温度施加机构和温度控制电路组成的反射镜变形动态补偿系统。圆形反射镜在环形温度控制下,产生曲率可变的内凹或外凸球面变形,由此补偿激光反射镜自身热变形或激光系统中透射元件热变形产生的离焦量。采用口径为50 mm,厚度为10 mm平面反射镜进行了“施温-变形”以及“辐照—施温-变形”实验,利用干涉仪对面形进行监测。获得了温度-面形变化曲线,镜体中心位移和温度保持线性关系,在50 ℃温度下,中心最大变形量超过2.5 μm,温度-变形系数为0.088 μm/℃。在激光功率162 W辐照下,反射镜的热变形补偿量由0.3 μm减小到0.08 μm,对系统中透射元件的热变形量从0.28 μm补偿至0.066 μm。     

高功率激光器输出窗口热效应的数值分析

利用格林函数解析法,针对高功率激光器中常见的环形分布激光束,计算并分析了由化学氧碘激光器目前比较流行的几种光学材料蓝宝石(Al_2O_3)、石英玻璃(SiO_2)、单晶硅(Si)组成的窗口镜的温度场分布以及热畸变特性。计算结果表明,在激光辐照的5秒时间内,温升场主要集中在激光束辐照的环形区域内,在整个镜面上远未拉平,由此引起的径向热变形也很不均匀。在激光辐照功率为50kW,辐照时间为5s的情况下,Al_2O_3、SiO_2、Si,三种窗口镜的最大热变形量分别是1.993μm,0.393μm,和6.251μm。     

采用相变致冷技术的激光反射镜结构

报导了一种采用相变致冷技术的激光反射镜新结构.这种结构的新特点在于,正支望远镜式虚共焦非稳腔凸镜的内部采用了螺旋状冷却沟道,填充用以保持反射镜温度恒定的固-液相变物质.当激光入射到反射镜表面时,反射镜温度上升,通过接触传热,相变物质的温度也开始上升.当相变物质的温度达到相变点时,相变物质开始熔化,温度保持不变,并继续从反射镜吸收热量,从而使镜面温度恒定于一个很小的范围;当出光结束后,反射镜温度降低,相变物质开始凝固,通过反射镜放出热量,以备下一个周期循环使用.整个过程不需要人为的干涉,也使反射镜省却了额外的辅助冷却设备.相变致冷反射镜结构简单,可以和晶体输出窗口制成一体,去掉了传统虚共焦非稳腔中用于输出耦合的45°刮刀镜,获得高光束质量的激光同轴输出.数值计算表明,当引入相变致冷方式冷却凸反射镜后表面时,反射镜的温度场等温线向轴向弯曲,说明反射镜中心冷却效果良好,而局部最高温度则由44°C降为33°C,从而大大降低了反射镜的热吸收变形.实验表明,采用相变致冷技术后,在激光连续照射10 s后,镜面总变形量铜镜由1.4 μm降为约0.27 μm,而硅镜则由1.1 μm降为0.4 μm,取得了良好的冷却效果.(PC6)     

程差法测量1．315μm附近CO2的吸收

CO2在碘激光波长(1.315 μm)的吸收截面比水汽小得多.我们利用可调谐激光长程吸收光谱测量实验系统,测量了1.315 μm附近CO2的高分辨率吸收光谱,采用测量不同光程的相对透过率方法(程差法)计算出碘激光波长CO2的微弱吸收.结果表明,在1.315 μm波段存在CO2的吸收谱线和连续吸收.在氧碘激光频率(7603.1385 μm-1)CO2的吸收截面(1×10-24 cm2量级) 比按HITRAN 96谱线参数计算的线翼吸收大;与Bragg用光声方法测量的结果相当.本报告将介绍测量实验方法和计算分析结果.(PG8)     

CO2激光辐照下热敏电阻温升的数值计算与实验

对激光照射下热敏电阻的温升进行计算,得到温升和热敏电阻输出信号与入射激光功率的关系当激光功率小于热敏电阻的破坏阈值时,输出信号与激光功率近似线性关系;同时计算了破坏阈值的大小.实验采用CO2激光器,测量了热敏电阻输出信号与入射激光功率的曲线,分析表明,热敏电阻吸收激光能量造成的热破坏是主要原因,在允许的误差范围内,计算与实验结果基本一致.     

CO2激光辐照下热敏电阻温升的数值计算与实验

对激光照射下热敏电阻的温升进行计算,得到温升和热敏电阻输出信号与入射激光功率的关系：当激光功率小于热敏电阻的破坏阈值时,输出信号与激光功率近似线性关系;同时计算了破坏阈值的大小。实验采用CO2激光器,测量了热敏电阻输出信号与入射激光功率的曲线,分析表明,热敏电阻吸收激光能量造成的热破坏是主要原因,在允许的误差范围内,计算与实验结果基本一致。     

可调谐TEA CO2激光倍频的研究

近年来,随着3～5 μm大气窗口热成像系统的开发和应用,国际上正大力展开这一波段激光光源的研究.迄今在3～5 μm波段尚无直接振荡的小型且操作简便的高功率激光器,人们致力于利用波长转换技术来获得这一波段相干光的开发研究.其中,最引人注目的是利用非线性晶体的TEA CO2 激光倍频的研究.我们利用自行研制的小型可调谐TEA CO2激光器和中科院安徽光机所生长的尺寸为7×8×12 mm3的AgGaSe2晶体,实现了CO2激光的倍频.TEA CO2激光器可输出50多条谱线,输出能量大于50 mJ.AgGaSe2晶体采用I型相位匹配,在CO2激光10.59 μm波长下,其相位匹配角为55.43°.实验中采用改变抽运光入射角的方法获得了20多条CO2激光谱线的倍频光输出,其中在CO2激光的10 P(18)谱线下得到较大倍频光输出1.32 mJ.(OB8)     

硅镜热畸变研究

从理论上和实验上对硅镜的热变形的动态过程作了研究。在变形之初硅镜表面的位移变化很快。在注入激光功率为２００Ｗ，硅镜的吸收率为７０％时，７０×８ｍｍ硅镜在注入激光功率２ｓ后热应力引起的挠变形就达到０．７６μｍ。这对于高功率短波长激光器是一个不容忽视的问题。     

大功率扩散冷却型Slab CO2激光器光束质量的研究

本文对国际上最新的大功率扩散冷却型Slab CO2激光器的光束质量进行了全面的测量与实验研究.从原始激光束的光束质量、通过导光系统后激光束质量、聚焦光斑的质量以及焦点漂移四个方面全面考察了Slab CO2激光器的光束质量以及光束的传输、聚焦特性.结果表明,Slab CO2激光器具有高光束质量,其M2因子非常接近1的理想值;激光束具有良好的传输和聚焦性能,可以长距离传输;使用焦距为300mm的聚焦镜聚焦,聚焦光斑的束腰半径约为134μm,光束横截面能量分布接近理想的高斯分布,焦深约为5mm,在加工范围内(3m),激光束的焦点漂移量大约为1mm.另外,采用Slab CO2激光器对厚度为10mm的低碳钢在不同的离焦位置进行激光深熔焊接实验,讨论了激光光束质量和焦深对焊接结果的影响.     

激光重频对脉冲非稳腔TEA CO2激光远场传输特性的影响分析

为了研究TEA CO2激光重复频率对远场光束特性的影响,首先采用有限元方法计算了不同重复频率下反射镜的温度场和热变形分布,然后采用协方差矩阵法对镜面热变形进行了Zernike拟合,最后结合衍射的角谱传播理论和功率谱反演法分析了不同重频TEA CO2激光经过内光路热畸变作用后的远场光束特性。研究表明:在净吸收能量相同的情况下,随着重复频率的增大,反射镜的温度逐渐升高,热变形量逐渐增大,经过内光路热畸变作用后,远场光束的Sr和平均能量密度Ed逐渐减小,参数逐渐增大,光束质量逐渐变差;对于TEA CO2激光,重频为300 Hz的Ed值仅为10 Hz的40%,远场光束的峰值光强下降了43%,光斑展宽了近60%。文中的研究结果为TEA CO2激光发射系统的优化设计提供可靠的依据。     

10.6μm连续波激光对MgF_2材料的破坏效应

研究了10．6μm连续波激光辐照下MgF2材料的破坏效应。MgF2晶体试件直径50mm，厚8mm，表面为光学面。实验用CO2激光器输出功率100～1000W可调。实验表明，不同的激光辐射功率对MgF2试件产生的破坏效应也不同。本文对破坏过程的物理现象进行了观察和分析．     

基于分布反馈激光器在2.0 μm波段对CO2气体温度的测量

利用输出波长在2.0 μm处的分布反馈激光器对CO2气体的两条特征谱线进行扫描以实现气体温度的测量。介绍了利用可调谐激光吸收光谱方法进行温度测量的基本原理,提出了用多线组合非线性最小二乘法拟合高温吸收光谱的吸光度方法。常压下在静态高温炉中进行了实验,设定温度为900 K～1200 K时,经实验得到的温度值与热电偶测量值的温差在8%以内,计算得到CO2的5007.7874 cm-1吸收线强与理论计算值相对误差小于14%。为今后的气体温度测量及多参数同时测量提供了借鉴。