超高斯光束经椭圆环光阑的衍射和光束质量评价

本文采用数值计算方法讨论了超高斯光束经椭圆环的的衍射现象。以桶中功率（PIB）、β参数和η参数为远场激光光束质量的评价参数,对超高斯光束经椭圆环光阑后的光束质量作了详细的研究,大量数值计算和物理分析表明,在椭圆环外径一定的条件下,超高斯光束经椭圆环衍射后的光束质量与椭圆环的遮拦比和超高斯光束的阶数有关。     

全自动可变光阑测量激光发散角的工程化研究

激光远场发散角是评价激光光束质量的重要指标,根据远场发散角的定义和国际惯例,实际工程应用中设计出全自动可变光阑来测量激光远场发散角。在测量时利用图像处理和一阶重心距算法计算光斑中心,使可变光阑中心与待测激光束中心对准。测试系统自动由小到大变化光阑孔径,同时用探测器测量透过的激光能量。对光阑孔径和通过光阑的能量进行曲线拟合,算出总能量为1/e2时光阑的孔径,即对应于该处的激光束宽,从而可计算得出激光远场发散角。上述测量过程是利用虚拟仪器技术来全自动实现的,该激光远场发散角测试系统经过了项目验收和实际工程检验。     

高功率激光器的光束控制研究

对强激光光束控制和参数评价等强激光领域的一些理论作了介绍和分析,以平顶高斯光束(FGB)为例,推导出了它通过无光阑和有光阑的近轴ABCD光学系统传输的解析表达式.阐述了几种实用光束传输变换的方法,总结了影响强激光光束质量的主要因素.以高功率激光的应用需求为背景,研究高功率激光的光束传输变换、光束质量评价和光束控制问题,为相关领域应用提供理论基础和计算依据.     

对激光光束质量一些问题的认识

从对激光光束质量研究进展开始，讨论了在傍轴和非傍轴范畴内激光光束质量的一些问题，主要是非傍轴光束的光束质量评价。光束传输的非傍轴矢量二阶矩理论可用于计算多种非傍轴光束的M2因子，但对M2因子的物理解释却有困难。例如，在非傍轴范畴，M2因子依赖于束腰宽度与波长之比，并可小于1。但远场发散角之值可趋于90°，这将导致很大的M2因子值。另一方面，若将公式中的光强用时间平均坡印廷矢量z分量代替，桶中功率(PIB)，或等价地，?茁 参数可推广用于评价非傍轴光束的远场光束质量。PIB表征了光束功率的可聚焦能力，是一种简明、直观评价不同激光光束的方法。然而，在?茁参数的公式中的束宽是按功率含量百分比定义的，因此双曲线传输规律不再严格成立。     

超高斯光束经光阑球差透镜后的光束质量评价

以桶中功率(PIB)、β参数和η参数为激光光束质量评价参数,对超高斯光束经有方环光阑球差透镜后的光束质量作了详细的研究。大量数值计算和物理分析表明,超高斯光束经有方环光阑透镜后的光束质量与方环遮拦比、透镜球差和超高斯光束的阶数等因素有关。采用适当的负球差透镜,在实际焦面上可得到最大的PIB,η值和最小的β值,从而获得比无球差透镜更好的光束质量,甚至使β1。     

超高斯光束经光阑球差透镜后的光束质量评价

以桶中功率(PIB)、β参数和η参数为激光光束质量评价参数,对超高斯光束经有方环光阑球差透镜后的光束质量作了详细的研究.大量数值计算和物理分析表明,超高斯光束经有方环光阑透镜后的光束质量与方环遮拦比、透镜球差和超高斯光束的阶数等因素有关.采用适当的负球差透镜,在实际焦面上可得到最大的PIB,η值和最小的β值,从而获得比无球差透镜更好的光束质量,甚至使β＜1.     

高功率激光技术中的光束控制和相关问题

对高功率激光进行了研究。以平顶高斯光束为例,推导出了它通过无光阑和有光阑的近轴ABCD光学系统传输的解析表达式。给出了它的特征参数,包括光束传输因子(M2因子)、陡峭度(K参数)和桶中功率(PIB)并作了物理分析。最后,指出高功率激光光束控制应使光束在靶面上的功率/能量集中度、时间和空间波形、瞄准稳定性以及时间持续性等指标满足应用要求。     

内光路中大气吸收对远场光束质量的影响

采用桶中功率、β参数、像散参数、Strehl比和光束重心位置等参数描述远场光束质量,研究了在内光路中进行气体吸收对远场激光光束质量的影响,并与内光路中有横向吹风存在情况作了比较.用自编四维仿真程序进行了数值计算和物理分析.研究表明,随着吸收系数的减小或风速的增大,远场光束的峰值光强明显增强,可聚焦能力大大提高.但横向吹风会引起像散.     

利用光束质量分析仪测量M~2因子

激光光束质量是激光器的一个重要技术指标,激光光束质量因子是反映激光光束质量的重要参数。介绍了一种利用光束质量分析仪来精确测量激光光束质量因子的方法,通过透镜将激光束进行聚焦变换,在透镜后方得到腰斑远场变化,利用光束质量分析仪,沿光轴等间隔测量不同位置的束宽,然后采用双曲线拟合来确定激光光束束腰的大小和位置,从而计算出被测激光光束的质量因子。实验数据采用三点法处理,进行二项式拟合,得出了拟合双曲线的参数,通过计算得到了所测激光的质量因子。用透镜焦点处的实测束宽对拟合值进行验证,结果近似,说明测量的结果是可靠的。利用光束质量分析仪的专业性和高精度,能准确测量出计算光束质量因子所需的参数,比常用的CCD测量方法更精确和便捷,能够很好地得出实验所用激光器的质量。     

有振幅调制光束经锯齿光阑的衍射特性

用惠更斯-菲涅耳衍射积分对有振幅调制光束经锯齿光阑的衍射作了研究,并与经圆孔硬边光阑的衍射作了计算比较.另外讨论了锯齿光阑参数对有振幅调制光束衍射特性的影响.结果表明,锯齿光阑有较大的填充因子,能抑制轴上光强的衍射调制,并降低横向光强分布的不均匀性.     

畸变光束远场光强叠加特性研究

在远场将阵列激光的光强进行叠加是获取高功率激光输出的一种有效方法,由于激光在传输过程中会产生波前相位畸变,进而导致远场光强分布不匀滑。基于惠更斯-菲涅耳原理,建立了多束具有随机相位畸变的二维矩形阵列高斯光束非相干合成模型。模拟了光强合成过程远场焦斑的质量变化,计算了远场焦斑RMS和PSD与合成光束数量之间的关系。结果表明:光束非相干合成不仅能够有效提高激光的输出功率,还可以使畸变光束合成后的焦斑分布更加匀滑,提高光束的质量。     

光纤激光非相干合成效果分析

为了研究光纤激光的非相干合成特性, 建立了圆环状排布的光纤激光阵列光束合成模型, 模拟分析了单元光束束腰半径w₀、波前畸变和光束间距对非相干及相干合成远场光束质量的影响。讨论了多路激光平行性对非相干合成效果的影响, 并进行了相关实验验证。结果表明, 单元光束无波前畸变时, 当光束间距为d₀=2.8w₀时, 非相干与相干合成光束质量相等; 单元光束存在波前畸变时, 光束间距有所减小, 这是因为波前畸变对非相干合成影响更小; 对于非相干合成, 随着多路激光之间不平行度的增大, 非相干合成光束质量逐渐变差, 并且单元光束质量越好, 对多路激光平行性要求越高。该研究可为实际光纤激光合成系统设计分析提供参考。     

阵列合成激光束在湍流大气中传输的研究进展

多路激光束合成是获得高功率和高能量激光输出的有效途径,因此,多年来光束合成方法和技术得到了广泛的关注和深入研究。近年来,随着空间光通信和激光传播工程等应用需求的发展,合成光束在湍流大气中的传播过程及其规律研究也逐渐成为光传播研究领域的热点问题。针对多种典型激光阵列合成光束,首先对比分析了广义Huygens-Fresnel原理、Rytov微扰近似以及随机相位屏数值模拟等方法在激光阵列合成光束大气传输研究中的应用;其次,阐述了合成光束传播应用研究中的桶中功率、衍射极限倍数 、 因子、光束传输因子等光束质量评价因子的评价作用;最后,根据阵列合成激光束的研究现状和成果,提出了应进一步深入研究的问题。     

基于数字微镜阵列的平顶光束空间整形

为了满足激光光斑质量高、扫描快速的目的,采用数字微镜阵列和误差扩散法对单平顶和多平顶的光束整形原理仿真,利用680nm激光建立了实验系统,并进行了光束整形验证。采用光束填充因子、光场调制度、均方根误差3种评价参量对整形结果进行评价,并对采用数字微镜阵列进行光束整形的能量利用率进行了测量和分析。结果表明,单平顶和多平顶整形的光束填充因子由整形前的36.1%分别提高到62.3%和56.7%;光场调制度由73.3%分别降到25.6%和30.3%。利用该光束空间整形方法,可得到高质量的多平顶光束,在快速激光扫描领域有一定的应用价值。     

截断拉盖尔-高斯光束的MG2因子

用广义截断二阶矩方法对截断圆对称拉盖尔高斯光束的广义光束传输因子(MG2因子)作了研究,得到了MG2因子的解析公式,并用数值计算例作了说明。研究表明,截断圆对称拉盖尔高斯光束MG2因子与截断参数和光束的阶数有关。随着截断参数的增加,MG2因子逐渐趋近于无截断圆对称拉盖尔高斯光束的光束传输因子值。     

一种基于衍射光栅光束质量M2因子的实时检测技术

提出了一种新的光束质量M2因子实时检测技术,利用一个普通正交衍射光栅组将一束待测激光束分成3×3共9路光,并利用光路调整器使9路光束通过不同的光程后有序地排列在CCD相机的探测面上,并使得各路光的光程差分布在束腰附近两倍瑞利距离内,从而可利用单一CCD探测面来同时获取待测光束多个位置上的光斑图样,再利用二阶矩理论求出各个位置上的光束束宽,通过曲线拟合进而实现光束质量的实时检测。结果表明,对于连续He-Ne激光器的输出光束,采用实时检测技术得到的测量结果与用传统方法得到的结果基本一致。     

脉冲半导体激光器光束并合技术研究

为了提高脉冲半导体激光器达到远场的能量密度,提出采用多个脉冲半导体激光器并合的方法来解决。介绍了光束并合的原理,并且就影响光束并合的因素进行了理论分析与推导,然后采用Matlab模拟分析了各个激光器出光时间同步性对光束合成功率密度与脉宽的影响,以及采用Zemax仿真分析了各个激光器间的轴线平行性以及激光器与准直系统间的同轴性对合成光斑质量的影响,最后通过具体的距离选通实验,验证了光束并合是一种有效地图像提高远场能量密度的手段。     

硬边光阑光学计算方法的比较研究

对通过硬边光阑光学系统光束传输问题的直接数值积分法、复高斯函数展开法、矩阵法和光束模式展开法作了比较研究。研究表明,直接数值积分应用范围广泛,但随着光阑数的增加,它变得既烦琐又耗时。复高斯函数展开法为快速模拟硬边衍射光束在菲涅耳区和夫琅和费区的传输提供了一个有用方法,只是在很近的场存在着显著的计算误差。矩阵法能用于菲涅耳区和夫琅和费区,但只适用于旋转对称的光学系统与光束。光束模式展开法可用于近似计算远场的弱截断光束。     

球差透镜对超高斯光束光束质量影响的研究

根据束宽的传输方程,采用双曲线拟合的方法,计算了超高斯光束通过球差透镜后的M2因子。同时还研究有球差的超高斯光束在透镜几何焦面和实际焦面上的桶中功率(PIB)。以M2因子和PIB作为光束质量评价的参数,进行了详细的数值计算来说明球差对超高斯光束光束质量的影响,并与有球差的高斯光束做了比较。得出了一些有实际应用意义的结果。