非稳腔傍轴波动方程高斯球面波修正方法的数值研究

在分析用差分方法求解虚共焦非稳腔三维傍轴波动方程,及用数值积分方法与快速付氏变换(FFT)方法求解三维菲涅耳积分方程优缺点的基础上,从激光束在虚共焦非稳腔中以修正高斯球面波形式传输的特征出发,经坐标变换把发散(或会聚)的光束拉直成平行光束,然后用FFT方法求解了在新坐标系中修正函数满足的傍轴波动方程.把相同条件下得到的结果与国内外文献给出的结果进行了比较;计算COIL实验非稳腔给出的近远场结果图象合理正确.     

非稳腔输出环状激光束的传输特性

本文从菲涅耳衍射积分公式出发研究了激光器非稳腔输出环状光束在空间的传输规律.由轴上光强的极值点位置给出了划分非稳腔传输空间的近场、中场和远场区域公式.理论计算结果表明,非稳腔输出端环状光束在中场区域激光能量逐渐向轴心方向转移,而在远场变为爱里型圆盘状光束的过程.在非稳腔脉冲TEA CO_2激光器上测得的实验结果与理论计算结果很好地符合.     

大长宽比矩形有源非稳腔模式的数值模拟

 利用快速傅里叶变换算法和薄层增益近似方法,在Matlab计算平台上,对大长宽比正支共焦有源谐振腔进行了数值模拟。得到了长宽比为3.6∶1的大功率化学激光器输出的近场模式强度和相位分布,以及理想聚焦下的远场光斑的强度分布。给出了由非均匀增益引起的强度分布不均对远场光斑的影响。得到的近场图像结果和实验结果基本一致,表明本方法可以对大长宽比矩形腔的输出模式进行仿真,从而为激光器的光束质量改善提供计算参考。     

虚共焦非稳腔腔镜倾斜对激光传输的影响

首先用几何光学方法分析了虚共焦非稳腔腔镜倾斜引起的准直光线偏离光轴,形成偏斜光线的角度灵敏度和偏斜距离灵敏度同非稳腔放大率ｍ和腔镜倾斜角β之间的关系,然后用Ｃ－６程序计算、分析了柱面条状虚共焦非稳腔单镜、双镜反向和同向倾斜三种情况下不同倾斜角对近场相位和远场强度的影响。数值结果表明,镜腔倾斜会使近场相位由均匀分布变成非均匀分布。从布导致远场光束质量变坏。     

束变换环孔激光谐振腔的设计与分析

分析了束变换环孔激光谐振腔的特点和优势,给出了这种复杂激光谐振腔的设计原理。对采用该方法设计的激光谐振腔空腔模式进行了计算和分析,并使用自行编写的三维光线追迹程序对这种腔的稳定性也进行了研究。结果表明这种谐振腔输出光场分布合理,相传均匀,远场分布接近衍射极限,并且这种腔对于扰动在一定范围内具有抑制能力,是一种研究价值很高的非稳腔。此外针对该腔提出的设计及模式计算方法对其他复杂腔型也具有一定的参考价值。     

腔内像散扰动对正支共焦腔模式影响的数值分析

 针对激光器出光过程中腔内像差扰动带来的输出光束质量和光束能量下降问题,分析了腔内像差扰动对非稳腔模式的影响,并采用数值迭代法计算了理想情形和腔内像散扰动对无源正支共焦腔输出模式强度和相位分布的影响,进一步采用Zernike模式法对光束相位进行了像差拟合,得到了前35阶Zernike像差系数、点扩散函数(PSF)分布和环围能量曲线,计算了腔内像散扰动量与远场Strehl比的关系。结果表明：对小菲涅耳数正支共焦腔,腔内像散扰动对输出光束强度和相位分布均有明显影响,相位分布中一些高阶Zernike像差也有所增大。因此在进行腔内像差校正时,应优先考虑此类像差的校正。     

圆镜共焦腔激光横模的传输矩阵法模拟和分析

共焦腔是一般稳定腔的特例,由于等价性,共焦腔中自再现模的振幅分布、损耗和光斑尺寸常常被用于讨论一般稳定腔。为了分析具有大菲涅尔数的圆镜共焦腔,本文利用传输矩阵方法对腔模进行计算和讨论。研究结果表明:传输矩阵方法的结果与Fox-Li积分迭代法的结果一致,并且传输矩阵方法实用于大菲涅尔数共焦腔。     

具有定向出射的回音壁模式聚合物卵形微腔

基于聚合物材料的回音壁模式卵形微腔,打破了传统微腔的圆对称性,利用微腔边缘波长级的缺口,实现了远场发散角极小的定向出射.通过三维时域有限差分法仿真分析了卵形微腔的回音壁模式及定向输出特性,重点讨论了不同的变形参数对于远场特性的影响.选用最优的变形参数,得到了波长在536 nm附近的回音壁模式的近场、远场的光场分布特性,...     

大功率TEACO2非稳腔激光器的远场传输特性

针对大功率激光器的远场传输特性,提出了一种测量TEACO,远场光束传输特性的新方法,该法采用相对测量和绝对测量相结合的方式来获得高能激光器的绝对空间光强分布。利用该方法测试了2kW脉冲TEACO,非稳腔激光器在500m处的光强分布,并对测试结果进行了分析讨论。实验结果表明,此方法简单、易行,准确度较高,而且测量过程中考虑了大气湍流的影响,光斑强度相对分布上出现了平顶、破碎并出现旁瓣现象,实测大气透过率为81．5％,最大功率密度为1．59W／cm^2,光束的横向远场发散角达到0．64mrad,基本与理论计算结果相吻合。本研究将为评估激光系统的应用效果及系统的优化设计提供重要的参考。     

强激光腔镜温升对腔几何参数和远场光强的影响

 利用交替方向隐式有限差分法分析了高能激光器虚共焦非稳腔反射镜的温度场及热变形的数值计算方法。以单晶硅为例，计算了反射镜由于吸收激光能量而形成的温度场分布以及由此引起的热变形对谐振腔几何结构参数的影响，并在此基础上数值模拟了热畸变情况下正支虚共焦非稳腔的远场光强分布。计算结果表明:在激光束辐照的开始阶段，温升场主要集中在激光束辐照的中心区域内，在整个镜面上远未拉平，由此引起的厚度方向温升分布也是如此，很不均匀。     

基于组合模理论设计的激光二极管阵列外腔

针对激光二极管阵列提出了“组合模”慨念,计算了组合模的远场分布,每个组合模在远场的空间分布呈双瓣结构,基于激光二极管阵列组合模的远场分布特征,设计了离轴外腔反馈的激光二极管阵列,运用此装置所获得激光二极管阵列的远场分布有了明显变化,与自由运转的激光二极管阵列相比,离轴外腔反馈的激光二极管阵列远场宽度减少了4.3倍,在抽运电流为16 A时,测得输出激光的功率1.82W,这相当于相同电流下自由运转激光器输出功率的79％.组合模理论不仅可以用来指导设计一维离轴外腔反馈激光二极管阵列,而且也可以用于设计二维离轴外腔反馈激光二极管阵列.二维离轴外腔反馈激光二极管阵列可以产生高功率,高光束质量输出的激光.     

基于组合模理论设计的激光二极管阵列外腔

针对激光二极管阵列提出了"组合模"概念,计算了组合模的远场分布.每个组合模在远场的空间分布呈双瓣结构.基于激光二极管阵列组合模的远场分布特征,设计了离轴外腔反馈的激光二极管阵列.运用此装置所获得激光二极管阵列的远场分布有了明显变化.与自由运转的激光二极管阵列相比,离轴外腔反馈的激光二极管阵列远场宽度减少了4.3倍.在抽运电流为16 A时,测得输出激光的功率1.82 W,这相当于相同电流下自由运转激光器输出功率的79%.组合模理论不仅可以用来指导设计一维离轴外腔反馈激光二极管阵列,而且也可以用于设计二维离轴外腔反馈激光二极管阵列.二维离轴外腔反馈激光二极管阵列可以产生高功率,高光束质量输出的激光.     

介质平面波导TE0模衍射场的光束参量

对于傍轴光束，提出了介质平面波导衍射场的近场模场半宽度、远场发散角半宽度和光束传输因子M^2等光束参量之间满足简单的关系式，三个光束参量均可直接由波导模式场分布精确计算，或由可实际精确测量的远场衍射频谱分布精确计算。M^2因子的计算公式可表述为以二阶矩和微分算子定义的近场模场半宽度的比值，或以二阶矩和微分算子定义的远场发散角半宽度的比值。最后推导出介质平面波导TE0模衍射场光束参量的解析函数和光束参量的范围。     

基于H-S波前传感器的正支共焦腔调腔方法的研究

采用H-S波前传感器对于非稳腔进行了实验调腔技术研究,指出了正支共焦腔调腔的原则,以输出光束近场强度和相位分布这一双重依据作为谐振腔是否调好的标准。进行非稳腔调腔时,首先应当保证整个光路共光轴使输出强度分布均匀,但此时光束中可能还包含离焦等高阶像差,因此在腔外用Hartmann-Shack波前传感器进行光束相位测量,得到了35阶像差Zernike系数、波面PV和RMS值,进一步计算得到远场分布和环围能量曲线等。从而可以全面了解输出光束质量,并能有针对性地对光腔进行调整,从而达到较理想的光腔调整共轴状态。     

短波长激光在柱面条状虚共焦非稳腔中的传输

 用数值迭代方法求解了柱面条状虚共焦非稳腔的积分方程组。对相同及不同的菲涅耳数N-F和不同的放大率m等情况进行了数值计算。结果表明,在所取的N-F范围内近场光场强度的空间分布偏离均匀分布,但相位近似为均匀分布。其中小N-F和大m时不仅近场分布较为理想,而且远场强度的角分布接近衍射极限。     

圆形高斯镜平凹腔腔内外激光场研究

运用边界元素法把圆形高斯镜平凹腔的自再现模的衍射积分方程转化为有限阶矩阵方程。计算了圆形高斯镜取不同反射率膜斑半径和中心振幅反射率情况下基模的场强分布、相位分布和本征值。研究表明:腔内光场分布半径随反射率膜斑半径的减小而增大,中心振幅反射率不影响光场分布半径;反射率膜斑半径影响远场分布,当其数值较小时,在光束的远场分布主峰周围产生弱衍射环;当高斯镜中心全反射时,远场分布随反射率膜斑半径的变化无明显变化;模式本征值随反射率膜斑半径的增大而增大。     

无源虚共焦非稳腔光束特性模拟

 采用FFT方法,详细研究了无源圆形球面虚共焦非稳腔的光束特性,给出了三维稳态模型。考虑腔镜倾斜效应和变反射率输出耦合镜导致的光束质量和输出功率变化等问题。讨论了在中等放大率和大Fresnel数模式下的近场光束特性和远场光束质量。     

二极管激光阵列在Talbot外腔中同相模的选择

 从理论和实验上对二极管激光阵列在Talbot外腔中的锁相进行了研究。在同相模和异相模近场分布的基础上，利用1维情况下的菲涅耳衍射公式计算了其远场分布。根据同相模和异相模在Talbot腔中的分布特性，采用1/2 Talbot腔并将外腔镜倾斜一个角度a的方法既能选择同相模，又能使模式的功率损耗最小。二极管激光阵列芯片采用CD金刚石材料,“三明治”结构对其进行封装，明显地减小了阵列的“smile”效应。在实验中实现了二极管激光阵列同相模的锁相输出，远场单瓣模的半高全宽为0.11 mm。     

双偏心椭圆高斯光束在一阶ABCD光学系统中的传输特性

通过求解时谐条件下的亥姆霍兹方程,得到一个特解双偏心椭圆高斯光束,该光束由两个偏心椭圆高斯光束叠加而形成的,可用于描述大功率激光二极管远场分布双峰特性.分析了该光束的光场模型,运用惠更斯-菲涅尔广义积分公式,得到了该光束在一阶ABCD光学系统中的传输场分布和解析表达式,在此理论基础上,数值计算得到光场分布和远场发散角,并运用该光束模型模拟了新型激光二极管光场分布,理论结果与实际结果吻合.     

基于随机输入的束匀滑位相板研究

根据随机畸变激光波前入射确定束匀滑位相板的模型,利用随机理论分析了光束通过位相屏后的传输特性、透射光远场分布的统计均值和方差.通过计算得知远场分布的方差与位相屏的傅里叶谱的平方成正比.利用数值模拟计算了随机生成的两个波前分别通过两个位相屏后的远场分布,模拟结果证实了位相屏用于随机相位畸变激光束匀滑的可行性,并显示了匀滑效果.