边界主动加热管理平均功率普克尔盒热效应

建立了平均功率激光辐照下,边界主动加热的电光晶体内3维各向异性热传输有限元模型及其热应力双折射模型,在此基础上分析了等离子体普克尔盒热效应。提出了边界主动加热控制电光晶体横向温度梯度热管理思想,并给出平均功率普克尔盒的光开关性能。结果表明:对于50J/10Hz、光束口径为50mm×30mm的激光系统,普克尔盒最大退偏损耗为3.58%,平均退偏损耗为0.9%,波前畸变为1.59λ。采用边界加热控制后,当加热功率密度为500W/m2时,最大退偏损耗为0.17%、平均退偏损耗为0.05%、波前畸变为0.26λ,普克尔盒热效应显著降低,满足设计要求。     

片状热容激光器热效应有限元分析

 基于激光介质的非均匀内热源模型，利用有限元数值方法，模拟计算了热容模式下高功率激光二极管阵列(LDA) 重复脉冲泵浦片状激光介质的瞬态温度分布和热应力分布及其波前畸变和应力双折射。结果表明:热容模式下，当增益介质不能够被全口径泵浦时，也会出现严重的热效应，介质的表面靠近边缘处会出现大的拉应力集中，介质表面的最大轴向位移和最大拉应力随泵浦光斑尺寸缩小而增大；而当全口径泵浦时，介质表面热形变大大减弱，较小的拉应力存在于介质内部，而且泵浦光斑和介质的几何形状对热分布有很大影响。结果还表明，介质片表面变形和热光效应是产生波前畸变的主要原因，而热应力双折射产生的附加相移与激光介质的切割方向有关，它对光束产生较大的退偏作用，从而影响激光器的输出性能。理论模型得到了实验结果的验证。     

应用复振幅滤波器实现高斯光束均匀化

激光束的光强分布为高斯分布。在激光应用的许多领域，要求光束的光强为均匀分布。本文提出了一种利用复滤波器实现高斯光束均匀化的新方法。给出了复滤波器的制作方法和实验结果。实验表明，该方法是一种能量转化率较高、容易实现、均匀化程度较为理想的高斯光束均匀化的方法。     

激光窗口热透镜效应对光束质量的影响

 分析了高功率激光通过窗口时，引起的窗口热透镜效应及其对激光光束质量的影响。用冲量定理方法，推导了二维热传导方程的广义傅里叶级数解，然后按照平面热应力问题，运用有限元方法数值计算热变形。考虑热变形、折射率随温度变化，忽略光弹性效应，解出出光面的波前相差分布，讨论了远场光束质量。以空心环形光束为例，计算了熔融石英(SiO₂)和白宝石(Al₂O₃)两种常用窗口的温升分布、热变形、波前相差和光束质量，分析了冷却、辐照时间、光强分布的空间梯度和各种材料参数对光束质量的影响。     

单轴晶体Ⅰ类匹配相位畸变光束二次谐波理论分析

理论上研究了单轴晶体Ⅰ类匹配时相位畸变光束二次谐波的转换，其中考虑了衍射、离散效应，给出了相位畸变小信号解。在此基础上，以KDP晶体为例分析并给出了有像差高斯光束的转换效率随晶体长度的变化规律，对于任意光强分布和有任意相位畸变光束的谐波转换也是同样适用的。     

固态热容激光器3维瞬态热畸变模拟分析

 根据固态热容激光器的动态工作特性,考虑热力学参数与温度的关系,采用3维有限差分方法模拟分析了薄片热容激光器的3维温度和热应力分布随时间的变化关系。计算了热容激光器的热畸变和退偏损耗随时间的动态变化规律,并与采用连续水冷却方式工作的圆棒激光器的热畸变特性做了比较。模拟结果显示,形变是引起波前相位畸变的主要因素,退偏损耗随泵浦时间增加和泵浦功率增大而非线性增大。     

强激光对传输光学元件热效应的数值模拟研究

强激光通过反射镜、窗口等光学元件传输过程中，光学材料对激光会有微弱的吸收，由此引起光学元件的热畸变，影响传输效率和远场能量集中度。基于三维瞬态热传导方程和弹性应力-应变方程，研究了波长1.315μm非对称环形强激光束辐照下硅反射镜、白宝石窗口的温度、变形和应力的分布规律，特别研究了激光强度、激光输出时间、光束遮拦比、光强分布的空间梯度等对元件热效应的影响；还研究了波长3．8μm非对称空心矩形激光束辐照下氟玻璃窗口温度、变形和应力的分布规律。计算了变形对光束波前位相和光束质量的影响。     

平顶光端面抽运DPL中热效应对输出功率的影响

用平顶光束描述由多根光纤紧密排列耦合并经透镜整形后的抽运光分布，给出了平顶光束的光强分布，对晶体热效应引起的热致衍射损耗随抽运功率和抽运光束半径的变化规律进行了数值计算，讨论了晶体热效应引起的热致衍射损耗对基横模高斯光束输出功率的影响，并实验验证了基横模高斯光束输出功率随抽运功率的变化规律．结果表明：热致衍射损耗使基横模高斯光束输出功率明显降低．随着抽运光束半径的增大，热致衍射损耗减小，对基横模高斯光束输出功率的影响就减小；抽运功率越大，热致衍射损耗越大，对基横模高斯光束输出功率的影响就越大．     

SBS相位共轭补偿现象的实验研究与图示化分析

通过实验观察了受激布里渊散射相位共轭波前补偿现象,分析了单横模激光、波前弱畸变及强畸变激光受激布里渊散射现象的差异.由于工作介质中强烈的热畸变所引起的波前破碎效应,高功率固体激光器的输出光束一般都不是理想的高斯型单横模,而是具有弱畸变或强畸变波前结构的光束,其包含多个子光束.只有总能量足够大的激光束被聚焦到布里渊介质中时,其包含的所有子光束才能各自按单横模受激布里渊散射规律产生后向散射光,再合并而实现完全的相位共轭波前反转,否则就只能实现部分相位共轭波前反转,即部分相位共轭补偿.     

激光二极管抽运氦气冷却钕玻璃叠片激光放大器热致波前畸变和应力双折射的数值模拟和实验研究

热效应仍是限制激光放大器向高功率、高光束质量进一步发展的瓶颈问题, 高效的热管理是抑制热效应的重要技术途径. 研究了基于激光二极管抽运氦气冷却的钕玻璃叠片激光放大器的热效应. 利用有限元数值模拟的方法, 分析了钕玻璃的温度、应力应变和应力双折射分布, 并计算了热致波前畸变和退偏损耗, 与实验结果符合得较好, 在热沉积为0.7 W/cm³的条件下, 6片钕玻璃总的热致波前畸变为6.77λ , 最大退偏量大于90%.     

四瓣高斯光束的Gyrator变换性质和矩形空心光束的产生

基于Gyrator变换,推导了四瓣高斯光束场分布的解析表达式,研究了四瓣高斯光束通过Gyrator变换后的光强分布和相位分布.结果表明:在Gyrator变换过程中,四瓣高斯光束能够转换为具有光涡旋的矩形空心光束,在获得矩形空心光束时其四顶角处光束强度最强,而四条边上的光束强度分布几乎是均匀的.对影响矩形空心光束强度和相位分布的光束参数和变换角进行了详细的分析,发现光束阶数不同,产生不同类型的空心光束;Gyrator变换的变换角则影响空心光束能量分布;空心光束亮环的大小由四瓣高斯光束的束腰宽度决定,束腰宽度越大,矩形空心光束的宽度越小.     

非均匀关联径向偏振部分相干光的产生

从理论和实验两方面对非均匀关联径向偏振部分相干光的产生进行了研究.理论上,基于相位关联与相干度的联系,推导出了非均匀关联径向偏振部分相干光的2×2阶交叉谱密度矩阵及相干度分布.实验上,利用一个相位型液晶空间光调制器的不同区域,对入射的完全相干的径向偏振光的两个正交偏振分量分别加载随机相位调制,并实验测量了这种光束的相干度分布及其对光强分布的影响.实验结果验证了光束相干度的非均匀关联结构,并且通过改变随机相位的高斯调制半宽可以改变光束的相干性分布.研究表明,随着随机相位的高斯调制半宽的增加,光束中两点间的相干度逐渐减小,其光强分布由圆环状逐渐变化为类平顶的光强分布.这种非均匀关联的径向偏振部分相干光在激光微操纵和材料加工等领域具有一定的潜在应用价值.     

Focusing properties of Gaussian beam by a nonspiral phase plate system

In this article, a nonspiral plate is investigated numerically by vector diffraction theory to observe the focusing properties of Gaussian beams. Both low- and high-numerical-aperture (NA) optical systems are considered in the investigation. It is found that the parameter of NA and the phase vary rate of the phase plate influence the focal intensity distribution considerably. When a nonspiral plate is used to provide linear phase variation on one half of the Gaussian beam, it may adjust the focal spot considerably and conveniently. Changing the vary rate of the phase plate or the parameter of NA can alter optical intensity distribution; some novel focal spots and focal switch may also occur.     

Thermal optics distortion of face pump slab lasers with two pump arrangements

Two pump arrangements, which are the slow axis and the fast axis of LD stacks parallel to the length direction of the slab, are simulated. From the results the optical intensity along the width of the slab is Gaussian and super-Gaussian distribution, respectively. Then based on heat conduction equation and conductively cooling boundary condition, the calculation of the distribution of absorbed pump power, temperature and thermal stress with the tool of finite element analyses is performed. From these results we numerically calculate the thermal focusing in zigzag and perpendicular zigzag planes using the ray tracing method running at low and high repetition rates. It is found that the temperature distribution along width has a significant impact on the thermal stress and thermal optics distortion, especially running at high repetition rate or high average power. Finally, the conclusion was that the pump arrangement with the fast axis of LD stacks parallel to the length direction of the slab is superior to the slow axis of LD stacks parallel to the length direction of the slab in decreasing thermal lens effect and obtaining high beam quality.     

会聚高斯光束焦点附近的三维光分布状态

根据惠更斯 菲涅耳原理 ,推导出了会聚高斯光束经圆形孔径衍射后焦点附近的三维光分布状态级数表达式 ,并与经典的均匀光波理论进行了比较。讨论了会聚高斯光束焦移与光学系统及高斯光束参数的关系。给出了会聚高斯光束焦点附近的等照度线图。结果表明 ,对于大菲涅耳数系统来说 ,其光强分布具有对称性     

平顶高斯光束经含失调圆孔光阑的失调光学系统的传输特性

为分析平顶高斯光束通过光学系统传输时圆孔光阑失调和光学元件失调对平顶高斯光束传输特性的影响,利用失调圆孔光阑的近似展开式和适用于失调光学系统的广义衍射公式,得出了平顶高斯光束经含失调圆孔光阑的失调光学系统传输的近似解析式,给出了输出光束场分布与光束参量、光阑孔径尺寸、光阑和光学元件失调量等的定量关系.针对特定光学系统定量分析了各失调量对输出光束场分布的影响,结果表明各元件失调都对输出光束强度分布产生较大影响.但在各失调量较小的情况下,透镜失调对输出光束传输特性的影响比光阑失调对输出光束传输特性的影响更明显.     

激光束光强分布对材料激光加热的影响

 对激光强度空间均匀分布光束、高斯、超高斯以及平顶高斯光束进行了分析比较,在激光功率与光斑半径相同条件下,计算了各种光束的峰值光强和光束填充因子与光束阶次的关系,给出了光强分布的表达式。并将不同空间分布的光束作为热源,耦合到材料热传导方程中,以数值计算说明了各种光束辐照下,2mm厚30CrMnSiA钢材料靶面不同的热效应。     

高平均功率开关晶体热力学特性有限元分析

 基于有限元数值方法，就不同的光强分布模型以及电光晶体固定或自由的边界条件，模拟分析了KDP，DKDP，LiNbO₃，BBO开关晶体材料在高平均功率激光负载下的热力学特性。结果表明:激光作用数s后，温升分布基本与光强分布一致；晶体表面的最大轴向位移和最大拉应力随光斑填充因子增大而增大;晶体的力学边界约束对最大轴向位移及最大拉热应力的影响随着光斑填充因子的增大而增强;在相同的入射激光光源及相同的边界条件下,KDP上的温升最大，热畸变最严重，DKDP次之，而LiNbO₃和BBO具有较低的温升值或较低的热形变和热应力。     

非均匀拉盖尔-高斯关联光束及其传输特性

提出了一种新型特殊关联部分相干光束即非均匀拉盖尔-高斯关联光束,其在x和y方向上的关联结构函数分别为非均匀关联和拉盖尔-高斯关联函数.基于广义惠更斯-菲涅耳衍射积分公式,推导了这种光束交叉谱密度函数在自由空间以及大气湍流中的传输式,并计算了该光束经过自由空间和湍流大气传输的光强分布和关联结构函数分布演化特性.研究发现,该光束光强分布在传输过程中展现出自聚焦、自偏移和自分裂等奇异特性,同时发现控制关联结构函数参数可以有效地降低湍流大气的影响.关联结构调控为操控光束传输行为提供了一种新颖而有效的手段,在大气激光通信、微粒操控等领域具有重要的应用前景.     

Trade-off between diffraction efficiency and uniformity for design of binary diffractive laser beam shaper

The trade-off between diffraction efficiency and uniformity is studied when a binary phase-only diffractive optical element (DOE) is designed for transforming a Gaussian beam to an expanded squared uniform intensity distribution. The simulated annealing (SA) algorithm and Fresnel diffraction theory are applied in our design. Two types of cost functions are utilized in the SA algorithm, and the cases of different incident Gaussian diameters and bright-area sizes of the target patterns are studied. The mechanisms of reducing nonuniformity by the two cost functions are essentially different, and the mechanism combining nonuniformity and the intensity difference between the reconstructed and target patterns has better results. Satisfactory performance can be obtained under the trade-off between them.