相变致冷镜的有限元结构优化

 镜体的结构决定了相变致冷镜抑制腔镜在高能激光辐照下的热变形的效果。比较不同结构形式的相变致冷镜镜面热变形的有限元软件计算结果，并通过一阶非线性优化方法，得到较优的放射状结构：硅基基体外径80mm，厚度12.5mm，光斑直径40mm,吸收功率密度为79.58kW/m²，当其最优沟槽深度为99mm，宽度为0.4mm时，光照10s时镜面热变形达到最小值0.37μm。     

腔镜热变形对非稳腔光场特性的影响

 研究了高功率气体激光器中谐振腔腔镜热变形效应。采用时间离散化方法,利用虚共焦折叠非稳腔3维物理光学负载模型和ANSYS热效应计算程序,将光腔稳态模式的快变过程与镜面变形的慢变过程耦合起来,研究了真实器件的腔镜变形和光场模式的相互作用;计算给出了16 s热变形下硅镜和石英镜面输出功率的下降程度和远场光束质量的退变程度：在16 s热效应下,硅镜实际光斑半径与理想光斑半径的比值变化小于1.5,而石英镜值变化达到4,可知长时运行下选用硅镜明显优越于选用石英镜。     

水冷式离焦变形镜技术研究

根据非稳腔薄片激光器腔内离焦的特点和主动校正的应用需求,针对性地设计离焦变形镜,对激光器腔内离焦进行实时补偿。采用压电陶瓷作为驱动器,圆形镜面圆心处设置1个驱动器,圆周上均布4个驱动器的5通道布局模式,仿真分析了筋板厚度和镜片厚度对离焦的校正效果影响,在优化设计的基础上研制出水冷式离焦变形镜,其静态面形PV值为0.34 m,波前动态范围为16 m。在离焦变形镜和二维变形镜组合模式下进行了薄片激光器强光主动光学校正试验,谐振腔腔内像差PV值从6.76减小到1.44,光束质量从19.5提高到6.5,有效地改善了输出光束质量,验证了离焦变形镜对非稳腔薄片激光器离焦校正的有效性和实用性。     

激光器腔镜夹持方式对热变形的影响

 分析了当前大功率激光器腔镜采用的几种夹持方式特点，采用有限元软件计算了腔镜不同夹持方式下的镜面热变形和镜体最大应力，并对两种夹持方式下的应力破坏进行了分析。发现夹持方式对大功率激光器腔镜镜面变形影响很大，镜体边界沿径向固定的压圈法效果优于沿轴向固定的弹性压板法。     

正支共焦非稳腔的离焦像差特性

 正支共焦非稳腔在出光过程中易受环境扰动而造成腔长失调，易受热积累影响而使腔镜变形，从而使输出光束产生离焦像差和部分其它像差。为了实现对离焦像差的校正，针对不同的产生原因，提出了2种离焦像差特性分析方法：一为腔镜相对位置失调引起的离焦像差特性理论分析方法，它是另一种分析方法的基础；二为腔镜变形引起的等效腔长变化导致的离焦像差特性分析方法，它是实际激光器中的主要分析方法。得到了离焦像差与腔长的特性关系和离焦像差与腔镜变形量之间的特性关系。研究表明：腔长改变和腔镜变形对离焦像差的影响本质是一样的，都是改变了谐振腔的共焦点位置；腔长改变或腔镜矢高变化与离焦像差都成近似的线性关系。实验验证了离焦像差特性分析方法的有效性，最后指出离焦像差特性可作为激光器中离焦像差动态补偿的有效依据。     

激光辐照下非稳腔镜变形对激光模式的影响

 分析了正支虚共焦非稳腔中腔镜变形对激光模式的影响，采用时间离散化、快速傅里叶变换（FFT）和有限元分析(FEA)方法解决腔镜变形和激光模式两者之间的耦合问题。计算结果表明，随着激光器工作时间的增加，腔镜温升和变形相应增大，谐振腔模式变差，输出光场相位均匀性变差，呈现散焦现象，输出光束质量下降。实验验证了激光器输出光束质量随出光时间的延长而逐渐变坏。     

强激光全反腔镜热变形模型及计算

建立了高功率连续激光器全反腔镜的热变形模型，并用有限差分法对镜内的温度场分布及热变形做了数值计算，得出了全反腔镜热变形和反射镜厚度及半径的一般关系，计算了反射镜因冷却水压产生的压力变形，并与热变形做了比较，计算结果和实验数据符合得很好。     

光束旋转90°多程放大系统的波前误差校正

 光束通过神光-Ⅲ原型装置四程放大系统发生了90°旋转和扩束。在四程放大系统腔镜处放置变形镜校正系统像差是一种新的自适应光学方案，推导出被校正像差与变形镜面形之间的数学关系。理论推导表明，在扩束比大于1的前提下，腔镜处变形镜可以校正系统输出的任意类型的像差，且变形镜对应的面形唯一。理论分析和计算仿真说明该方案的校正能力与像差类型和扩束比有关，扩束比增大将增强变形镜校正像散的能力，但系统旋光消像散的能力也将减弱。     

高功率激光器腔镜热变形对输出光束质量的影响

利用有限元分析法结合Fox-Li迭代法,考虑腔内本征模式与腔镜热形变的相互耦合作用,计算模拟了正支共焦非稳腔的本征模式分布,定量分析了高功率激光器腔镜热变形对输出光束质量的影响,重点讨论了腔镜热变形所引起的腔内本征模式相位特性的变化,并从波前功率谱密度、Zernike像差系数及光束质量值等角度对腔镜发生热形变前后的激光器输出光束的光束特性进行比较分析。研究结果表明:高功率激光器腔镜热形变对输出光束的光束质量会产生一定的影响,且随着激光输出功率的增大,镜面热形变引起的输出光束波前相位高频比例及Zernike高阶像差均会有所增大,波前畸变程度也明显变大,光束质量逐渐变差。     

光束旋转90°多程放大系统的波前误差校正

光束通过神光-Ⅲ原型装置四程放大系统发生了90°旋转和扩束。在四程放大系统腔镜处放置变形镜校正系统像差是一种新的自适应光学方案，推导出被校正像差与变形镜面形之间的数学关系。理论推导表明，在扩束比大于1的前提下，腔镜处变形镜可以校正系统输出的任意类型的像差，且变形镜对应的面形唯一。理论分析和计算仿真说明该方案的校正能力与像差类型和扩束比有关，扩束比增大将增强变形镜校正像散的能力，但系统旋光消像散的能力也将减弱。     

热补偿腔镜热变形的研究

采用ANSYS有限元软件,系统模拟了强激光作用下的热补偿全反射硅镜的温度场分布和热变形.详细地研究了不同区域的热补偿和不同的热补偿功率大小对镜面变形峰谷值的影响.结果表明有效的热补偿对镜面变形峰谷值有很大的影响,在非光照区进行热补偿可以大大降低镜体的温度梯度,从而明显减小镜面变形的峰谷值.热补偿腔镜特别适合于机载或车载军用强激光器.     

Output beam drift and deformation in high-power COIL

During the operation of a chemical oxygen iodine laser (COIL) with an unstable resonator of a large Fresnel number, as the output power increases, an instability of the output laser beam will appear, behaving mainly as far-field beam spot drift and deformation. In order to interpret this phenomenon, thermal expansion analysis on the scraper with finite element analysis method and a simulation of the output beam mode of this kind of laser by the method of Fast Fourier Transform were developed. From the experimental measurement and the calculation, we proposed that the presence of the nonuniform temperature distribution of scraper causes the front surface of the scraper to tilt and bulge due to thermal expansion. As the output power is increasing, all the mirror surfaces, especially the scraper's, will absorb more and more heat, causing thermal expansion of the mirror front surface to occur more seriously, thus resulting in the tilting and deformation of the far-field beam spot. The initial misalignment of the direction is also an important factor leading to the far-field beam spot drift and deformation.     

相变制冷复合镜研究

提出一种新的复合式腔镜结构,利用硅镜(钼镜)和铜镜的优点,避免它们的缺点,可以有效地减小热畸变.对钼、铜复合镜作了与硅镜的对比实验.实验结果表明钼、铜复合镜的热畸变比硅镜的约小一半.     

空间太阳望远镜主镜精密温度控制方案介绍

通过光-机-热集成分析，用简单可靠的热控方法，对空间太阳望远镜直径为1m的主镜进行了热设计：采用周边绝热、将热量从正面传导到背面，再设计装有控温回路和热管的集热板，以及与卫星平台辐射器冷板连接散热，保证了主镜的温度水平和稳定性；在主镜压紧结构前设置挡光板，减少压紧结构引起的主镜温度不均匀．结果表明，利用智能型高准确度控温仪和加热回路的优化设计实现主构架均匀性热设计，采用高传热性能热管排散准直镜热反射面极高热流密度，可以消除主镜周围热环境对主镜温度影响的结论．     

腔镜变形对平凹稳腔激光振荡模式影响的数值研究

 用Fox-Li迭代法研究了激光谐振腔镜面变形对激光振荡模式的影响, 给出了几种镜面变形条件下的激光谐振腔自再现模,即镜面上光场振幅和位相分布的模拟结果。对平凹稳定腔,为获得严格的基模激光振荡,应将这种镜面变形控制在1/20波长范围内;若镜面变形超过1/10波长,则该谐振腔不存在严格的基模自再现模。同时,高功率激光腔镜的边缘冷却方式将造成较大的镜面形状变化,从而影响激光光束质量。     

Three-dimensional time-dependent thermal model of catastrophic mirror damage in stripe-geometry double-heterostructure GaAs/(AlGa)As diode lasers

Three-dimensional thermal analysis of catastrophic mirror damage in stripe-geometry diode lasers was carried out in the present work. The spatial extent of the heat source at and near to the mirror surface as well as the temperature dependences of both the thermal conductivity and the thermal diffusivity are taken into account in the model. The heat conduction equation is solved by means of the Green function method.     

预失真半导体激光列阵技术

相干半导体激光列阵体积小、重量轻,输出能量密度高,非常适于用作对光源尺寸要求苛刻的航天激光光源。为避免随航天器在轨运行的半导体列阵经受变化梯度剧烈的恒星、行星、空间低温热沉的交替加热和冷却的影响,以便能够正常工作,采用潜望式结构设计,将列阵置于舱内,列阵向航天器外输出激光必须经由舱外输出反射镜完成。然而,舱外输出反射镜受周围热环境影响和列阵输出激光束照射,会产生随机热变形,导致输出舱外的激光能量发散;并且,舱外输出反射镜面热变形导致镜面法向偏转,使得输出光束产生较大的指向偏转误差,这极大地降低了能够作用于目标之上的激光束的能量密度,严重恶化输出舱外的光束质量。通过理论推导结合ANSYS有限元分析软件和相关实验,在研究清楚相干半导体激光列阵作为航天激光源的构造、其光场与周围热环境共同作用于舱外输出反射镜的规律与特点后,给出了航天预失真半导体激光列阵激光源技术,通过回波法适时测量舱外输出反射镜引起的波前畸变,处理器配合D/A和高压放大器,驱动驱动器,使舱内添加的反射镜预失真成形,适时使列阵输出产生预失真波前畸变,以抵消舱外输出反射镜的热变形对输出舱外的激光束的影响。相关系统运行实验结果显示,此技术使半导体激光列阵能够适应宇航环境,向舱外输出保障质量的激光束。     

Finite Element Analysis Of Thermal Characteristics in Continuous Wave Long Wavelength Surface Emitting Lasers (I): Dielectric Cavity Structures

We numerically analyzed the thermal characteristic in continuous wave (cw) GalnAsP/InP surface emitting lasers with dielectric multilayer mirrors by using finite element method. From the simulation of temperature distribution in cw devices, we found that MgO/Si multilayer mirror which has a high thermal conductivity is effective for heat sinking; the thermal resistance of device using MgO/Si mirror is nearly half of that using SiO₂/Si one, almost independently of their thicknesses. It was also indicated that the optimum design for other structural parameters, especially the thickness of active region, is important to effectively suppress the temperature increase. The minimum threshold current was estimated to be 3 mA under cw condition for the active region diameter of 4 μm and thickness of 0.5 μm.     

镜面热变形对空地激光通信链路性能的影响

 低轨卫星在轨运行热环境条件下,不能有效释放热应力的反射镜面将产生热变形,镜面法向偏转可达百μrad量级;经其反射的光束将产生较大的指向偏差,严重影响空地激光通信链路的系统性能。对空地激光通信星上端机目前常用的压板法镜体固定方式进行的分析表明：镜体释放热应力后的法向角度偏差可减小近3个数量级,对由于热变形带来的光束指向偏差能进行很好地抑制,减轻对系统性能的影响。     

非均匀光斑导致相变镜镜面偏转的研究

 针对高功率激光器中非均匀光斑热致变形导致光轴偏转的问题，提出用相变致冷镜作为腔镜来减小镜面变形峰谷值和角向偏转，在2kW连续二氧化碳激光器上进行了热变形和光束漂移实验。实验表明，与普通实心硅镜相比，相变致冷镜镜面温度分布更均匀，可有效地减小镜面偏转角和光斑中心漂移，提高远场光束质量。