用于激光二极管抽运固体激光器热畸变补偿的微变形镜特性研究

在很多高功率的激光器中,由于热效应的缘故会导致激光器的光束质量大幅下降。为了改善激光光束的动态畸变,自适应光学是一种有效的方法。作为自适应光学系统的核心部件,设计了一种可用于大功率激光二极管抽运固体激光器(DPL)热畸变补偿的新型可变形反射镜,并且通过工艺流片实际制造出有效反射面积为30 mm×30 mm,拥有49个静电驱动单元的可变形反射镜。对该微机电系统(MEMS)微变形镜的变形特性进行了详细的理论分析和模拟研究,并和实际测量结果进行了比较,得到了满意的结果。为了实现闭环控制,对微变形反射镜的光学影响函数矩阵进行了全面测量,并用得到的电压矩阵对畸变激光光束的波前进行了校正。实验结果表明,微变形反射镜可以有效地改善激光光束质量。     

微变形镜补偿激光器腔内热畸变的研究

大功率激光器中由增益介质热畸变产生热透镜效应,导致激光器的性能下降.采用基于MEMS技术加工的微变形反射镜作为激光器谐振腔的一部分,能实时补偿热透镜效应,提高激光器的输出功率.推导了热畸变与微变形镜镜面形变量、反射镜驱动单元上电压的关系并进行了实验.实验结果表明,在初始功率为287 mW、383 mW、482 mW和800 mW的情况下使用微变形镜进行补偿,可以将功率提高到437 mW、710 mW、894 mW和993 mW,在理论和实验上证明了使用微变形镜可以改善激光器腔内热畸变.     

基于随机并行梯度下降方法的动态光束净化实验研究

高能激光系统中通常包含光束净化装置以对激光器出射光束的波前畸变进行连续校正.为研究随机并行梯度下降自适应光学方法在光束净化问题上的可行性,按算法运行时序连续改变37单元变形镜的面形,以在实验光路中引入高能激光器输出光束的常见动态波前畸变,同时采用随机并行梯度下降算法控制同一变形镜对此动态畸变进行校正.实验结果显示,在事先消除系统初始像差的情况下,系统分别以1 kHz和2 kHz的模拟迭代速率工作时,激光束的动态像差都得到了充分抑制,光束质量在整个校正时段内始终维持在较好水平.这表明随机并行梯度下降自适应光学方法应用在光束净化系统中是可行的.     

内腔自适应光学系统校正激光器畸变

固体激光器中,增益介质由于热沉积产生的热畸变严重影响了激光器的稳定性、输出功率和光束质量。研究了一种内腔自适应光学系统校正激光器腔内畸变的方法,利用微机电变形反射镜作为固体激光器的内腔全反射镜,通过控制变形镜的面型改善激光器输出光束的模式及功率。从腔外引入的一束信标光通过激光器内腔后反射出腔外,用波前探测器可测得激光器工作时腔内畸变对此信标光的影响,并通过搭建的自适应光学系统平台可闭环校正此畸变。实验结果表明,闭环校正后,激光器的输出功率提高了近3倍,且激光光束质量得到了明显的改善。     

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。     

微变形镜内腔补偿激光模式畸变研究

 采用Fox-Li迭代方法，对畸变相差以Zernike多项式展开，计算了不同菲涅耳数的谐振腔在畸变发生时的低阶输出模式，分析了激光器谐振腔内畸变对激光输出模式的影响。对微变形镜的面形以Zernike多项式进行拟合，计算了中心电极的影响函数，并建立了微变形镜控制模型。实验上将微变形镜作为激光器的一个腔镜，验证了微变形镜对激光输出模式的补偿作用。结果表明，内腔微变形镜对激光输出模式具有校正作用，激光基本上可以达到基模输出。     

变形镜受热变形引起的波前畸变仿真及补偿

针对变形镜自身受强激光辐照后热变形问题,利用ANSYS的多物理模型建立了变形镜的热机械模型并进行了计算。针对受强激光辐照后变形镜吸收了部分热量并产生了0.9μm的变形量,根据该变形镜热畸变分布特征,提出了一种利用补偿镜对热畸变进行补偿的方法,即在一个薄型镜面背后用一些约束头固定构成补偿镜,放置在变形镜的后续光路中。约束头在补偿镜上的位置与极头在变形镜上的位置对应错开分布。对三种不同形状约束头的补偿镜进行了计算,补偿后综合变形量降低到0.35,0.32和0.40μm。利用光束传输因子(BPF)对理想光束通过补偿镜后的效果进行评价,结果表明通过三种补偿镜后BPF值从0.906提高到了0.966,0.971和0.957。进一步的计算表明,补偿效果受约束头尺寸的影响较小。     

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。     

变形镜结构参数对高功率激光相位特性的影响

在高功率连续激光辐照下,变形镜(DM)表面产生的热形变会对入射激光引入附加相位畸变,进而降低光束质量。利用有限元分析软件ANSYS建立了变形镜模型,分析比较了变形镜与高反镜热形变的特点,并讨论了变形镜结构参数对入射激光相位特性的影响。研究结果表明:与高反镜相比,变形镜的热形变更为明显;变形镜极头间距越小,热形变带来的高频相位畸变越多;极头长度对高频成分的影响较大,极头长度越短,热形变带来的高频成分越多,因而适当增加极头长度能够降低热形变带来的高频相位畸变;增大极头直径能使高频畸变所占比例有所降低,但会减弱变形镜的校正能力,因而在实际设计时应综合考虑。计算结果可为变形镜的参数优化设计提供一定参考价值。     

组合变形镜对板条固体MOPA激光波前畸变校正（英）

提出了一种利用组合变形镜校正板条MOPA固体激光器像差的方法,并通过实验验证其有效性。通过将一个11单元的一维变形镜和一个67单元的二维变形镜组合,有效降低了单个二维变形镜波前校正过程中驱动器间的电压差,从而提高了二维变形镜的使用安全性,并在一定程度上改善了校正后波前畸变的空间分布,降低了波前畸变残差。实验结果表明,一维变形镜与二维变形镜的组合能高效地校正板条MOPA固体激光器的波前畸变,波前残差均方根值小于0.08 m,远场光束质量因子可达1.67。     

基于微光机电系统的微光学自适应微镜的研究

提出了一种利用热应力改变镜面曲率的可调焦微光学自适应微镜。与传统自适应微镜相比,采用该原理制作的微镜具有驱动电压低和驱动力较大的优点,而且制作简单。以硅为基底进行了表面热氧化、光刻显影、HF酸刻蚀、KOH湿法刻蚀,溅射铝膜等微加工工艺的研究,获得硅铝双金属可调焦微反射镜4×4阵列,单元尺寸3 mm×3 mm,单晶硅基底厚60μm,硅表面溅射的铝膜厚150 nm。该微镜的镜面填充率为100%,可变形镜面占总镜面面积的79%。利用激光波面干涉仪对可调焦微反射镜的动态性能进行了测试。实验表明,该微镜可产生单向连续变形,最大变形量15.8μm,非线性滞后27%,工作电压0~2.5V,可调焦范围∞~0.036 m。     

新型傅里叶变换光谱仪反射镜倾斜容限分析及实验

采用微机电系统微镜阵列和倾斜反射镜替代传统傅里叶变换光谱仪的动镜系统,提出一种基于微机电系统微镜阵列的新型傅里叶变换光谱仪.介绍了该光谱仪的工作原理,分析了倾斜反射镜倾斜角度的容限范围,并搭建了实验系统,进行了实验验证.理论推导表明:在近红外区域,反射镜倾角理论最大值为0.52°,光谱分辨率达到8 nm;在可见光区域,反射镜倾角理论最大值0.183°,光谱分辨率达到3 nm.选取可见光源488 nm激光器进行的实验验证结果表明:在倾角容限范围之内,光谱能准确还原;反之,光谱严重失真.最终,采用复色光源进一步实验验证了理论分析的正确性.     

基于MEMS微镜的傅里叶变换光谱仪原理与分析

提出了一种新型的基于可编程MEMS(micro-electro-mechanical systems)微镜的微型傅里叶变换红外光谱仪。该光谱仪采用可编程MEMS微镜和倾斜反射镜替代了传统傅里叶变换光谱仪的动镜系统。理论分析了该光谱仪的工作原理,并进行了计算机仿真,验证了该方法的可行性。结果表明,该光谱系统能够准确地还原光谱信息,其光谱分辨率在近红外区域小于5 nm,波长准确性约1 nm,系统理论上的信号采集周期约50 ms。适合于利用阿达玛变换提高信噪比,可应用于微量物质检测。     

基于数字微镜阵列光调制的激光防护系统

提出一种基于数字微镜阵列(DMD)的激光防护系统设计方案, 利用DMD的光调制作用减少强激光对光电成像设备的损坏.详细介绍了系统的工作原理、DMD及CCD的选型、投影光路和光学转换系统的设计, 运用相移莫尔法进行了图像像素的调校.模拟实验结果显示, 该系统可在不同光斑半径和光强的条件下成功识别激光光斑中心点的像素坐标和半径, 实现对光斑对应区域的微反射镜控制, 激光光强可衰减70%以上.     

微结构特性的光学测试平台

微结构是微机电系统的基本元件,其几何尺寸、运动特性、材料及力学特性直接影响微机电系统的整体性能。提出一种将计算机微视觉、米劳显微干涉、频闪成像和激光多普勒测振等技术充分融合的微结构静态和动态特性的光学测试平台,分别对微谐振器的平面和离面周期运动特性和微机械扭转镜的离面瞬时运动特性进行测试研究。实验结果表明,利用计算机微视觉和频闪成像技术能够实观微结构的平面位移、运动相位及喈振频率等周期运动参量的测试．位移的重复精度为30nm;利用显微干涉和频闪成像技术可实现微结构的离面位移及表面扭曲等周期运动参量的测试．位移的重复精度为3nm;激光多普勒测振技术具有在频域上对微结构瞬态运动进行分析的优点．是时域上周期运动测试的重要补充。     

变形镜对千赫兹掺钛蓝宝石飞秒激光频谱相位补偿

尝试用光谱展宽的方法从频谱相位(而非时域相位)的角度利用变形反射镜来补偿1kHz飞秒激光系统输出光路的频谱相位畸变,从而提高飞秒激光脉冲的时域强度衬比度,改善其光束质量。频谱相位补偿实验是在一台1kHz掺钛蓝宝石飞秒激光系统输出光路中,针对超短脉冲光束通过传输介质后的频谱相位畸变,引入变形反射镜进行补偿。应用频谱相位干涉直接电场重构(SPIDER)方法和仪器作为测量手段,建立了一套相位测量补偿系统。实验结果表明用变形反射镜可使激光脉冲的相位畸变得到较好的补偿,脉冲的光束质量得到改善。这种方法的主要思想就是将相位补偿转换为空问的光程控制,控制简单且损耗很低,是自适应光学中具有应用前景的一种补偿方法。     

Laser beam shaping with magnetic fluid-based liquid deformable mirrors

A new controllable laser beam shaping technique is demonstrated, where a magnetic fluid-based liquid deformable mirror is proposed to redistribute the laser phase profile and thus change the propagation property of the beam. The mirror is driven by an inner miniature actuator array along with a large outer actuator. The inner actuator array is used for deforming the magnetic fluid surface, while the outer actuator is used to linearize the fluid surface response and amplify the magnitude of the deflection. In comparison to other laser beam shaping techniques, this technique offers the advantages such as simplicity, low cost, large shape deformation, and high adaptability. Based on a fabricated prototype of the liquid deformable mirror, an experimental AO system was set up to produce a desired conical surface shape that shaped the incident beam into a Bessel beam. The experimental results show the effectiveness of the proposed technique for laser beam shaping.     

数字微镜器件反射效率测试方法及装置北大核心CSCD

为了获得数字微镜器件的真实光学特性,提出了其反射特性测试方法,并搭建实验装置对数字微镜器件的相对反射效率进行了测试,搭建了测试光路;利用该光路分别测得数字微镜器件和铝反射镜作为反射元件时相机接收到的光斑能量分布曲线,并对曲线进行积分;将2种测试条件下获得的积分值做除法,得到数字微镜器件的相对反射效率。测试结果表明,在使用632.8 nm波长激光器作为光源时数字微镜器件的相对反射效率为45.33%,在使用白光LED作为光源时数字微镜器件的相对反射效率为71.75%,经过多次测试发现2种测试模式下的重复精度均为±5%左右。上述测试结果可对今后使用数字微镜器件开发相关仪器时的能量传递效率计算以及器件选择起到一定参考作用。     

External-Cavity Tunable Laser Using MEMS Technology

This paper introduces a tunable external-cavity diode laser using a MEMS vertical mirror fabricated on a silicon-on-insulator (SOI) wafer. This laser has the merits of simple alignment process, easy integration/packaging, and potentially large wavelength tuning range.