高功率激光器中两镜型线聚焦空间滤波器的应用北大核心CSCD

结合美国国家点火装置(NIF)的部分参数,利用两镜型线聚焦空间滤波器(SSF)来替代主放大腔中的针孔滤波器,对其在高功率激光装置中的应用进行了初步的研究。以NIF为例,SSF的应用可使远场强度降低两个数量级,使腔空间滤波器和放大腔分别缩短约6.2450m(27%)和13.8707m(30%),而放大腔中远场强度的降低以及去掉传输空间滤波器中的滤波光阑,又使得主光路中基本无等离子体堵孔的问题。同时,基于平面化离轴偏角的设计思想并结合放大腔中变形镜与反射镜互成物像面的特点,对SSF构成的放大腔进行了离轴多程设计以避免放大自发辐射,为SSF的实际应用以及高功率激光装置的进一步发展奠定了基础。     

光路自动准直中腔镜及反射镜控制算法

激光装置光路准直系统通过多块腔镜及反射镜的角度调整,使光路的指向和位置达到物理指标要求。为提高远近场光路准直的效率,减少电机调整次数,提出一套准直算法,腔镜准直使用正圆调整算法,反射镜准直将关联系数矩阵由传统的2维改进为4维。通过准直光学实验平台,验证了该算法收敛速度快,电机调整步数更精确,移动次数更少,小于3次就满足准直精密度要求。     

基于衍射对称性的多程光路腔镜准直算法

腔镜准直是多程放大光路准直中的基础,针对高功率固体激光装置多束组并行准直对腔镜准直的要求,提出一套基于衍射对称性的腔镜准直算法,可以避免腔镜准直受到图像质量的影响而导致精度偏低。在神光Ⅲ主机装置上进行了该腔镜准直算法的实验验证,实验结果表明,相对于传统算法,采用基于衍射对称性的腔镜准直算法,可以将腔镜准直精度由8μrad提升至3.96μrad。     

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)     

基于光纤环形镜的光纤激光器的优化设计

对基于光纤环形镜和光纤光栅的线形腔光纤激光器进行了优化设计.以光纤光栅作为激光器的输出端镜,分别将光纤环形镜和非线性放大环形镜与其构成激光器的谐振腔;在光纤光栅与光纤环形镜构成的谐振腔中引入偏振控制器,并以加入偏振控制器的环形镜作为激光输出端镜,对上述三种实验装置的激光输出特性进行了分析比较.     

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.     

大口径反射镜表面颗粒物洁净度控制实验研究

针对高功率固体激光装置反射镜表面的颗粒引起的损伤问题,分别进行离线实验和在线实验,采用风刀及暗场成像系统相结合研究表面颗粒去除率。研究结果表明:当风刀偏转角度为0°且风刀距离大口径反射镜镜面10 mm时,对灰尘颗粒的去除效果最好,可达96.5%,而对相同尺寸的Al₂O₃颗粒和Fe颗粒效果次之,对SiO₂颗粒效果最差,在线平均去除率可达84.9%。通过对反射镜表面颗粒污染物的在线沉积规律研究表明采用风刀吹扫技术一周洁净一次可实现反射镜表面长期洁净,该技术可推广至大口径高能激光装置及未来超大型高功率激光装置中。     

多物理场下望远镜主次镜失调分析研究

为满足光电跟踪设备的设计精度要求,减小并评估主镜筒变形对主、次镜位置相对变化的影响,利用Ansys Workbench有限元分析软件对主镜筒进行了热稳态分析、静力学分析以及多物理场耦合分析。分析出了主镜与次镜的偏转角,对主镜筒结构提出了相关修改意见。通过仿真所得的结果可知,主镜筒因太阳照射不均而产生的弯曲变形对反射镜的偏转影响最大。为减小反射镜的偏转,将次镜由镜筒支撑改为由次镜支撑架支撑,并加固次镜与调焦机构间的支撑连接。再次对修改后的主镜筒进行了处于水平、上仰45°、上仰90°时的静力学分析,对主镜筒进行了温度场与重力场耦合的多物理场分析。仿真所得的反射镜偏转角度数据将为光电跟踪设备的实验标校提供一定的参考依据。     

激光的自注入调频放大

我们提出了一种激光调频放大新原理——自注入原理,可将选模、调频元件对激光输出功率的影响降到最小,即有可能使调频效率接近1.激光自注入调频放大原理见图1,反射镜M_1-M_3组成放大腔,M_1-M_2组成调频腔,它们的阈值反转粒子数分别为n_0和n＇_0,由于调频元件对调频腔造成的     

拼接镜主动光学中子镜曲率半径偏差分析

拼接镜主动光学以完全相同的小口径反射镜为基础进行镜面拼接,使其共焦和共相,等效得到相应的大口径反射镜,并使其达到衍射极限成像。在各个子镜的拼接过程中,曲率半径不一致直接导致系统的成像性能受到较大影响。以3片子镜组成的拼接镜主动光学为基础,对子镜间曲率半径的偏差进行了分析。其中子镜为对角线长为346.42 mm的正六边形球面反射镜,等效单片反射镜口径为634mm,经过分析得到子镜之间曲率半径偏差应小于±0.02 mm,此时拼接镜成像分辨力为0.309?,斯特涅尔比大于0.8,达到衍射极限。     

对卡塞格林式多程放大器中环形光束传输的数值模拟

利用光线追迹法以及分步傅里叶-贝塞耳变换法,考虑了光阑对光束的拦截和通光作用以及激光放大过程中的增益饱和效应,对环形腔调Q钕玻璃激光系统振荡器输出的光束经卡塞格林式放大器多程放大后的光场演化过程进行了数值模拟,并进行了实验验证。分析得出现有系统中输入输出镜的阶跃反射率分布是导致输出环形光束质量不好的主要原因,并重点对放大器的腔镜部分进行了优化设计,提出了反超高斯反射率分布的输入镜与超高斯反射率分布的输出镜相组合的腔镜对结构。数值模拟结果表明,该腔镜对的使用可大大改善输出环形光束的质量。     

新型非平面多程激光放大器的理论研究

提出了一种基于双镜环行光路的新型非平面多程激光放大器,它具有结构简单、体积小、空间对称性好、调节容易、光通放大次数多的优点。信号光束在放大器腔内沿着立体环行的非平面空间对称路径多次通过激光介质被放大,可在小型激光介质中获得高功率的放大激光输出。对放大器腔内光路进行了理论建模和参量分析,给出了部分光路模式的模拟图,分析了光路损耗与功率放大;初步设计了基于Yb:YAG薄片和激光二极管(LD)端面抽运的全固态非平面多程薄片激光放大器,适用于高功率激光放大。     

直角内圆锥面全反镜折叠腔激光器的输出特性

为简化高功率激光器谐振腔结构,提高激光谐振腔的稳定性特别是热稳定性,增加基模体积,改善光束质量,采用直角内圆锥面反射镜作为全反镜,平行平面镜作为输出镜组成新型激光谐振腔.实验结果表明,在圆锥全反镜失调角小于37.3′时,圆锥折叠腔激光器的单脉冲输出能量下降小于5%,且近场输出光斑没有明显变化;经模式仪分析表明,圆锥折叠腔激光近场光强分布均匀.圆锥反射镜折叠具有非常强的抗失调能力,结构简单,便于安装调整,特别适合于恶劣环境下的强激光系统应用.     

老年人健康信息管理系统的开发与应用

从电路模型上分析多路复用技术在压电微变形镜控制中的驱动特性,设计了基于双MOSFET开关的驱动电路,并对致动器的电压保持能力和抗干扰能力做了测试.实验和分析表明,一个高压运放驱动25个压电陶瓷(PZT)致动器时,工作频率可达400 Hz,致动器的变形控制精度在2%左右.与传统控制方法相比,该方法具有低功耗、低成本的优点,适用于自适应光学系统中多通道压电微变形镜的控制.     

强激光系统中铜镜微变形实验研究

利用泰曼干涉仪及图像处理系统对强激光作用下不同冷却结构镜片包括空腔、环形通道几何结构铜镜的变形进行了实验研究，对其变形规律、变形机理作了探讨和分析。设计了一种新型多层冷却结构铜镜。将这几种铜镜的变形作比较．结果表明新结构铜镜不仅热变形小．而且由冷却流体压力引起的附加变形也很小．为有效控制强激光系统中镜片表面变形提供了有效途径。     

端面抽运全固态皮秒被动锁模激光器

利用国产半导体可饱和吸收镜(SESAM),设计了不同的腔型结构,实现了平均功率5W单路输出,5W双路输出,输出透过率可调节的半导体可饱和吸收镜线型腔连续锁模(CWML)激光器,双向输出六镜环行腔连续锁模激光器等。将半导体可饱和吸收镜放在腔内的特殊位置,利用一种新的技术方法实现了锁模激光器的频率翻倍。利用由非线性晶体KTP和双色镜构成的非线性镜(NLM),实现了端面抽运Nd∶YVO4激光器的4W锁模输出。     

平均功率近2 W的被动锁模皮秒掺镱光纤激光器

报道了一个三级主振荡功率放大(MOPA)结构的瓦级皮秒光纤激光器.第一级利用半导体可饱和吸收镜(SESAM)和光纤光栅组成线性腔,构建了一个低功率的被动锁模掺Yb3+光纤激光器,其最大平均输出功率为9.2 mW,作为整个激光器的种子源;第二级采用单模掺镱光纤放大器对种子光进行预放大,得到108 mW平均输出功率;第三级采用带树状耦合器的双包层掺镱光纤放大器进行功率放大,获得了1.9 W平均输出功率.得到的脉冲脉宽36 ps,中心波长1064 nm,重复频率29.6 MHz,峰值功率1.8 kW,相应的单脉冲能量为61 nJ.实验中观察到种子源输出光谱中有一个凹陷,这是由于光纤光栅反射率过高并且带宽较窄引起的.     

Noise in an AlGaAs semiconductor laser amplifier

The noise characteristics in a Fabry-Perot (FP) cavity type semiconductor laser amplifier, biased at just below its oscillation threshold current, have been studied theoretically and experimentally. Quantum mechanical multimode rate equations containing a Langevin shot noise source and an input signal term were numerically solved for an exponential band-tail model with nok-selection rule. Noise power calculated using this rate equation was compared with a simpler photon statistic master equation method. The experimental results on noise power for an AlGaAs laser amplifier are in reasonable agreement with the two different theoretical predictions. Dominant noise powers in a semiconductor laser amplifier are beat noise powers between signal and spontaneous emission, and between spontaneous emission components. Noise characteristics in a Fabry-Perot cavity type laser amplifier can be improved both by the reduction of the facet mirror reflectivities and by use of an asymmetric cavity configuration with low-input and high-output mirror reflectivities. Two beat noise powers are expressed in simple analytic form by introducing an equivalent noise bandwidth and an excess noise coefficient as figures of merit in an optical amplifier.     

Noise in an AlGaAs Semiconductor Laser Amplifier

The noise characteristics in a Fabry-Perot (FP) cavity type semiconductor laser amplifier, biased at just below its oscillation thresh-old current, have been studied theoretically and experimentally. Quantum mechanical multimode rate equations containing a Langevin shot noise source and an input signal term were numerically solved for an exponential band-tail model with no k-selection rule. Noise power calculated using this rate equation was compared with a simpler photon statistic master equation method. The experimental results on noise power for an AlGaAs laser amplifier are in reasonable agreement with the two different theoretical predictions. Dominant noise powers in a semiconductor laser amplifier are beat noise powers between signal and spontaneous emission, and between spontaneous emission components. Noise characteristics in a Fabry-Perot cavity type laser amplifier can be improved both by the reduction of the facet mirror reflectivities and by use of an asymmetric cavity configuration with low-input and high-output mirror reflectivities. Two beat noise powers are expressed in simple analytic form by introducing an equivalent noise bandwidth and an excess noise coefficient as figures of merit in an optical amplifier.     

基于梯度下降算法的初级球差校正

固体激光器在实际工作过程中会因腔镜热变形而产生球差效应,使激光的光强分布发生变化、聚焦能力下降、光束质量变差,因此需要校正。基于这一目的,利用梯度下降算法进行了初级球差的校正仿真。首先,建立了初级球差和变形镜模型,变形镜模型针对初级球差选取分立式环形阵列,镜面利用率高。然后,设计出算法的具体实现过程,算法以变形镜单元的位移量为控制对象,以离散化的各部分球差的方差为性能指标。最后,仿真并给出了性能指标与迭代次数的关系、校正后的球差等结果,结果显示达到了预期的校正效果。