聚焦激光束焦点光斑尺寸与样品剥离阈值的同时测量

当聚焦激光束在焦平面上的光强分布为高斯分布时,理论推导了激光能量与激光在样品表面所烧蚀的坑洞半径的关系。以铝箔、铝反射镜和热敏相纸为样品,用显微镜测量出不同能量的脉冲激光在样品表面烧蚀的坑洞半径并通过数值拟合来实现对聚焦激光束的焦点光斑尺寸和样品剥离阈值的同时测量。对于脉宽为15ns、波长为532nm的激光,测得铝和热敏相纸的剥离阈值分别为2.5J/cm2和0.25J/cm2。光斑尺寸和剥离阈值两个参量的测量误差均约为±10%。该技术能够同时且简便地测量出聚焦激光束焦点的光斑尺寸和样品的剥离阈值,对研究固体与激光相互作用以及评价激光束聚焦的特性有一定的应用价值。     

强激光辐照铝靶温度分布数值模拟及实验研究

采用喷砂、磨砂、镀金表面处理工艺得到了铝靶的激光能量耦合系数。从经典傅里叶热传导方程出发,建立了强激光辐照铝靶下铝靶温度场分布数值模拟理论模型。利用有限元软件,模拟计算了连续激光辐照下铝靶的温度场分布,给出了连续均匀光斑和高斯光斑辐照下,不同表面处理工艺的铝靶所对应的最大温升。开展了铝靶强激光辐照验证实验,利用热电偶实际测量得到了辐照激光光斑中心对应的铝靶背表面最大温升,该实验结果与计算结果吻合较好。对铝靶前表面的烧蚀形貌进行了分析,与理论计算的温度场分布情况相符合,验证了数值模拟的有效性。     

薄膜激光损伤阈值标定技术

为了满足薄膜激光损伤阈值客观、准确、高精度测量的要求, 提出了损伤阈值标定技术。通过互换两个能量探测器位置的试验标定方法, 消除分光镜的分光误差和能量探测器的测量误差, 获得准确的辐照能量。再通过调整两个CCD位置获得相同光斑尺寸的测量方法标定被测样品表面与光斑面积测量面的等效, 并剔除激光光斑中非平顶部分, 获得准确的辐照光斑面积。最后采用最小二乘法对计算得到的能量密度及其对应的损伤几率进行拟合, 获得损伤阈值。通过对TiO₂/SiO₂高反射膜1064nm激光辐照测量实验, 得到23.0164J/cm2的薄膜激光损伤阈值。结果表明, 采用标定技术使薄膜激光损伤阈值的测量精度提高了9.26%, 满足高精度的测量要求。此研究有助于薄膜激光损伤阈值的准确标定。     

高斯光束照射下联合变换相关器特性研究

为了研究联合变换相关器中照明光束对输出相关点的影响,针对特定目标图像,采用数值模拟的方法,定量分析了联合变换相关器中照明光束为高斯光束时,输出相关峰值随高斯光束特性参量和输入图像在输入平面上位置的变化情况。得到了输出相关峰值随高斯光束腰斑半径减小和输入平面上目标图像位置偏离高斯光束中心距离的增加而减小的结果。模拟结果显示,如果腰斑半径1mm的高斯光束,扩束为腰斑半径32mm的高斯光束时,刚好满足输入图像在光斑边缘处输出相关峰值为输入图像在光斑中心处输出相关峰值的90%,则要求扩束前后高斯光束腰斑中心振幅比值为5.7。结果表明,为使输入图像在整个输入平面上任何位置都输出高的相关峰值,扩束后的高斯光束腰斑半径应满足一定要求。     

基于三光斑的激光束离焦量实时检测方法

为了提高强激光系统中输出光束的光束质量,提出了一种利用三光斑来探测离焦的方法,该方法能够在探测器上横向探测光束轴向上三处位置的光斑尺寸,通过三光斑间的尺寸关系可计算出光束的离焦量,进而根据离焦量进行闭环校正。实验中通过调节整形系统对光束的离焦量进行离焦补偿,使得光束离焦量从（4.90.2） mm校正至（0.30.1） mm。实验结果表明,该方法结构简单,能够测量各种因素引起的强激光的发散会聚度,给出了离焦补偿的可靠判据,为解决强激光热效应造成的光束发散提供了一种新方法。     

刀口法测量拉盖尔-高斯涡旋光斑的理论与实验研究

拉盖尔-高斯(LG0l)涡旋光束携带光轨道角动量,提供了额外复用自由度,可以极大提高光通信容量,实现该涡旋光束光斑半径的精确测量对其应用具有重要意义.刀口法由于廉价、方便、精度高、适用于较大功率的测量等优势,是测量光斑尺寸及束腰尺寸的理想方法.然而,以往刀口法的研究主要集中在基横模高斯光束上,尚缺少关于刀口法对LG0l涡旋光斑的测量研究.本文对基于刀口法的LG0l涡旋光斑尺寸测量进行了详细地理论分析和实验研究.理论分析中给出了刀口法测量LG0l涡旋光束的原理;实验上将螺旋相位板对基模高斯光束调制后产生的光束当作LG0l涡旋光束的近似,并采用刀口法测量了该LG0l(l=0,1和2)涡旋光的光斑;借助Mathematica程序数值拟合了实验测量的横向光场强度分布结果,得到了不同LG0l涡旋光束的光斑半径.根据光斑半径的特点可得出:经低涡旋阶数的螺旋相位板调制之后,基模高斯光束可变为相应涡旋阶数的LG0l涡旋光束,变换前后光斑半径基本保持不变.     

90/10刀口法测量高斯激光光束束腰的两种计算方法

激光光斑尺寸和激光束腰光斑尺寸是衡量激光器性能的重要参数.本文利用90/10刀口法测量高斯激光光斑尺寸及光束束腰尺寸,给出了两种计算方法,克服了传统方法过程繁杂的缺点,精度高、效率高,操作简单.     

受激布里渊散射光束空间光强分布

将调Q的Nd:YAG激光脉冲聚焦到FC-72介质池中,利用电荷耦合器件(CCD)和数字图像处理技术,实验研究了后向受激布里渊散射(SBS)光斑的光强分布,获得了其光强分布及光斑大小随入射能量的变化规律。结果表明,在入射光束为基模高斯光束的条件下,随着入射光能量增大,受激布里渊散射光斑的空间光强分布由近高斯型变为高斯型。并且受激布里渊散射光斑大小总体上是随着入射光能量的增大而逐渐减小的。当入射能量在受激布里渊散射阈值附近时,受激布里渊散射光斑大小达到最大(大于入射光斑);当入射能量为3倍阈值以上时,受激布里渊散射光斑大小达到最小(小于入射光斑)。     

超大环形激光陀螺仪谐振腔参数研究

大型激光陀螺是一种基于Sagnac效应的惯性传感器.随着尺寸的增加,基模运转和增益成为重要参数.针对镜片匹配、放电电流大小及腔长等,计算了ABCD矩阵与高斯光束的特征参数,验证了不同边长下环形谐振腔腰斑位置及放电电流对光阑的影响.实验结果表明,出光阈值处光斑质量最优,光斑最为平整,比值接近于1且对称结构有利于高效读取信...     

采用三线位置敏感探测器定位模型分析光斑对定位精度的影响

在实际测量中,由于光斑具有一定尺寸和不对称性,在很大程度上影响了位置敏感探测器(PSD)的定位精度.根据激光光束高斯能连续分布的特征,建立了一种三线PSD定位模型,可以根据光斑的形状解算出该光斑特征状态下的定位误差.实验验证了该PSD定位模型的有效性.在激光三角测量法中采用该定位模型可以很好地补偿由于光斑自身不均匀性、传输过程中光斑尺寸变化以及激光与待测物体互作用产生的散斑所引入的定位误差,有效提高测量精度.实验中可以补偿的误差达到0.07 mm.     

不同离焦条件对骨硬组织激光消融的影响

评估了不同离焦辐照条件对脉冲CO2激光骨硬组织消融的影响。实验样品为新鲜离体牛胫骨组织,置于由计算机自动控制的一维电动平移台上。调节工作距离,分别在光束聚焦平面前后光斑尺寸约为510μm处进行非接触式垂直照射。脉冲CO2激光波长为10.64μm,脉冲频率为60 Hz,能量密度范围5~45 J/cm2。平移台移动速度为20 mm/s,重复扫描6次。肉眼和显微镜观察组织样品形态学变化,常规组织病理切片处理,苏木精-伊红(HE)染色,共焦扫描显微镜观察并摄取图像。运用测量软件测量骨样品消融凹陷的几何尺寸,获得切口宽度、深度和切口截面积随辐射曝光量的变化关系。结果表明,脉冲CO2激光可以应用于骨头等硬组织的切割,不同的离焦辐照条件对组织消融效果具有重要影响;在临床上,为获得窄且深的消融切口和高的消融率,可以稍微将光束聚焦在组织表面下方。     

基于ZEMAX的半导体激光器匀光设计

为了满足半导体激光器能量均匀化的应用需求,基于ZEMAX光学设计软件设计了一套光束整形匀光系统。采用非球面镜与倒置柱面镜望远系统的透镜组合对单模半导体激光器进行准直,得到近似高斯圆光斑;在推导了基模高斯强度分布的匀光投影半径的基础上,利用ZEMAX优化得到两个非球面镜组成的匀光透镜组,在一定范围内可获得能量均匀度达96%以上的圆光斑。同时,实现了一个大功率半导体激光器光纤耦合模块的能量匀化设计,满足对能量匀化要求较高的应用。结果表明,该研究为半导体激光器能量均匀化的应用提供了有效方法。     

离焦量对空气中纳秒激光打孔效率的影响

用波长1.06μm,脉冲半峰全宽(FWHM)约10 ns的Nd∶YAG激光照射在薄铜靶上,研究了打孔效率同离焦量之间的关系。实验中脉冲能量分别为26 mJ,52 mJ,85 mJ,204 mJ和274 mJ,在各脉冲能量下,改变离焦量,测出相应的打孔效率。结果表明,离焦量是影响打孔效率的重要因素;实际打孔过程中,采用较低的激光功率密度和 3~ 4 mm的离焦量是合理的选择。当离焦量d<0时,打孔效率主要由激光照射产生的热烧蚀、等离子体屏蔽两个物理机制决定;当离焦量d>0时,打孔效率是激光照射产生的热烧蚀、等离子体屏蔽和焦斑处空气等离子体辐射的促吸收效应共同作用的结果。     

水下激光光束空间分布特性的实验研究

对高斯光束在不同水体中的传输特性进行了初步实验研究,分析了水体衰减系数对传输特性的影响。实验结果显示,高斯光束在水中不同传输距离处横截面上的光强径向分布仍然可以用高斯函数来描述;高斯光束在水中的光斑半径大于在空气中的,而且水体衰减系数越大,光斑半径扩展得越大;高斯光束在水中的光斑中心光强比空气中的衰减得严重,而且水体衰减系数越大,衰减得越快;高斯光束在大约2～3个衰减长度处光斑光强近似均匀分布。     

飞秒激光诱导TC4表面微观组织研究

为探究超快激光对金属材料的烧蚀特性,利用飞秒脉冲激光加工TC4,研究加工后TC4表面的形貌特点,分析飞秒激光加工金属的作用机理。当激光能量密度为8.05 J/cm2时,用白光干涉和扫描电镜观察不同扫描速度下材料表面的形貌变化。随着扫描速度的降低,表面条纹变深,条纹上方的二级微纳凸起尺寸增大,粗糙度增加,条纹侧面出现经典低空间频率条纹。从高斯光束特点和光斑重叠率角度对各种形貌的形成机理进行分析,高斯光束光斑中心处能量密度高,条纹上方形成凸起,侧面形成经典条纹;当光斑重叠率越大,单位面积内能量密度就越大,表面微结构尺寸也随之增大。     

高精度近红外光斑位置检测模型研究

为了提高1550 nm近红外波段光斑位置的检测精度,提出了一种改进的积分无穷解算模型。以高斯光斑为入射光模型,深入分析了InGaAs四象限探测器（Quadrant Detector, QD）输出信号与光斑实际位置之间的关系,考虑探测器直径及沟道的影响,通过引入误差补偿因子,利用最小二乘拟合的方法得到有效光斑半径,从而获得新解算模型的解析表达式,最后在搭建的InGaAs QD光斑位置检测系统上对提出模型进行实验验证。仿真和实验结果表明:新模型可有效降低不同半径光斑下的位置检测误差;入射光总能量约为10 W,光斑半径0.75 mm时,在[-0.75～0.75 mm]检测范围内,新模型均方根误差为0.003 mm,最大误差为0.009 mm,较原有模型分别降低了78.6%和52.6%。新模型在激光通信和激光雷达等工程实际中具有较好的应用前景。     

激光光束在海水中的空间传输特性分析

由于激光的初始发散角以及海水对光的散射作用,激光在水下传输时光斑大小发生改变,从而影响接收机的接收范围。采用波长为514 nm的蓝绿激光,基于水下无线光通信信道模型,模拟光子在海水中的传输过程,通过统计不同传输距离时的光子数和光子位置,建立了海水信道中的光斑扩展模型,分析了海水水质对高斯光束的光斑空间特性的影响。结果表明:高斯光束在海水信道中传输时,根据光强比值定义光斑大小的位置,1/e光斑半径与传输距离呈线性关系,线性增加系数为光源的发散半角;当接收机灵敏度为确定值时,传输较短距离后光斑逐渐减小;光斑大小由接收机灵敏度决定,随着接收机灵敏度的增加,在相同距离下,接收到的光斑大小基本呈线性增加。     

高斯光束整形非球面透镜的粒子群优化设计方法

提出了一种设计激光光束整形系统的新方法粒子群优化算法。根据能量守恒定律,推导出光束整形系统中任意光线与入射面和出射面交点坐标之间的变换关系,并把用此变换关系得到的光线与出射面的交点坐标作为目标值。把追迹光线在输出面上的交点坐标与目标值差的绝对值作为光束整形系统的能量分布变换评价函数,把出射光线方向矢量的y分量绝对值作为准直评价函数,并将能量分布变换评价函数与准直评价函数的和作为光束整形变换系统的总评价函数,依此函数作为粒子群算法中的适应度函数,对适应度函数进行极小值操作,便可得到了一个既能把光强高斯分布转换为光强均匀分布,又能近似实现光束重新准直的非球面整形透镜系统。用这种方法设计了一个单非球面凹平透镜,可以把光强高斯分布、光斑半径30 mm的红光激光光束整形为光强均匀分布、光斑半径为36 mm的平顶光束,且准直出射。证明这种设计方法简单有效。