激光变倍准直扩束系统设计

激光准直扩束系统可应用在激光测距,激光切割,空间光学激光干涉仪等各个领域。其主要作用是通过改善激光束的空间发散角,提高光束的准直性,使激光束达到对孔径的要求。基于无焦变倍原理运用Zemax软件模拟设计了一激光准直扩束系统,入射激光波长为1064 nm,发散角小于5 mrad,入射直径为1 mm,准直扩束系统的扩束比4~24倍连续可调,可实现压缩光束的发散角(出射光发散角可压缩至0.208 mrad),扩大光斑尺寸,达到对激光准直和扩束的目的。不同倍率下波像差最大均方根(RMS)值为0.1769λ,均小于λ/4,满足像质评价要求。此设计结构简单,易于加工装调,具有较高的实际应用价值。     

基于整形光路的低阶像差校正方法

为满足激光束对远处目标辐照强度的要求,减小热效应对输出光束性能的影响,提出了一种基于整形光路的高能激光低阶像差校正方法。该方法根据波前探测器测到的光束波前畸变,利用激光器整形光路固有的光学元件和调整机构,通过高精密电动平移台和快反镜的快速动作,动态调整各镜片的间距,实时校正激光束的低阶像差,使输出光束恢复至平行出射,从而显著减小激光束的热漂移和热畸变,有效避免了长时间出光时光束的持续发散,极大改善了输出光束性能。试验结果表明,该方法具有校正量大、控制方便、结构紧凑等优点,能够很好地改善激光器输出光束质量,显著提高激光束远场作用效果。     

基于楔形整形镜对半导体激光的光纤耦合

在半导体激光器的光纤耦合系统中,bar条的各发光点指向偏差(偏向角)会恶化光束整形效果,显著降低光纤耦合效率。针对该现象提出利用引入修正角的楔形整形镜补偿发光点的指向偏差,改善激光束的指向性和光束整形效果。通过ZEMAX软件模拟与实验验证,在光纤耦合系统中使用引入修正角后的楔形整形镜片,其整形效果显著改善,测量的光束参数积(BPPs)在快轴和慢轴方向分别为7.25 mm·mrad和5.05 mm·mrad,聚焦光斑为148μm×135μm(包含90%能量)。该系统将单个bar条耦合进芯径200μm、数值孔径(NA)0.2的光纤中,在注入电流60 A时,获得稳定输出功率53 W,对应电-光转换效率为47%,光纤耦合效率为87%,相对于使用修正前的楔形整形镜片,光纤耦合效率提高了7%。     

平顶激光束诱导薄膜损伤阈值测量系统

为了满足快速、精确、定量地测量薄膜激光损伤阈值的要求,设计了平顶激光束诱导薄膜损伤阈值测量系统.介绍了损伤阈值测量的原理和方法,提出二分查找与顺序查找相结合的能量密度查找方式;根据分光镜的分光比及能量探测器示值求解辐照激光能量,用CCD成像法精密测量了作用在薄膜表面的激光光斑面积;基于小波变换法,通过图像处理精确识别了薄膜的损伤;建立能量密度与损伤几率坐标并进行最小二乘法拟合,对损伤阈值进行了标定.对45°高反射膜分别进行了高斯光束辐照和平顶光束辐照的测量实验,结果表明:高斯光束辐照测量的损伤阈值为9.95J/cm~2,平顶光束辐照测量的损伤阈值为13.98J/cm~2,平顶光束诱导比高斯光束诱导的损伤阈值高40.5%.     

基于非球面镜的圆环形光束非线性整形方法

提出了一种利用非球面镜对圆环形光束进行非线性整形的方法,该方法利用两个高次非球面镜片小角度放置组成光束变换光路,能够在几乎不损失功率的情况下灵活调整环形光束的遮拦比和强度分布,也能够实现空心光束和实心光束的相互转换,且镜片加工难度低。实验结果表明,利用该方法搭建的光路与理论分析结果吻合较好,能够较好地对光束进行非线性整形。     

基于模拟退火算法的自适应近场光束整形

在激光实际应用中,为了提高系统的利用效率,常常需要将激光器的输出光束整形为特定光强分布光束.基于纯相位液晶空间光调制器的高空间分辨率、实时可编程控制等特性,结合模拟退火算法搭建了一套自适应近场光束整形系统.理论模拟了该系统对于理想高斯光束的近场整形效果,并基于这一闭环系统,对固体激光器输出的近高斯光束进行了近场光束整形...     

柱透镜和弯月透镜实现半导体激光器光束整形

针对半导体激光器的发光特点,设计了半导体激光器的光束整形系统。首先采用柱透镜准直和偏转沿Y轴发散的光束;然后再采用望远系统对X轴发散的光束进行准直和扩束;最后采用弯月透镜对发射光束压缩,实现半导体激光器的光束整形,降低光束发散角,提高光束质量。利用ZEMAX软件模拟系统,结果表明,整形后输出光束沿X轴和Y轴的发散角变为4.922mrad,输出光斑直径为1.2707mm,整形系统总长度为65.6618mm,各元件的最大直径为20.52mm,输出光束质量和系统结构都优于同类产品。     

大长宽比、变发散角光束二维变焦整形研究

为实现激光束形状的二维整形,同时灵活适应入射光束发散角、尺寸等参数的变化,提高光束质量,提出了一种适用于大长宽比、变发散角的激光束二维变焦整形方法。该方法利用光线变换矩阵方法分析光路,采用柱透镜、球透镜对光束进行二维变焦整形,通过镜片位置和间距的动态调节,实现对光束在x,y两个维度上的尺寸、发散角共四个参数各自独立的调整,实时校正激光束的低阶像差,使出射光束始终保持为预定状态。试验研究表明,该方法具有光路结构简单、综合像差小、调节范围大等优点,能够显著改善高功率激光器的光束质量,尤其适用于具有大长宽比增益区的板条激光器和化学激光器的输出光束整形。     

基于液晶空间光调制器的激光束近场整形

激光器输出的光束光强通常为高斯分布,但在很多实际应用中,为了提高激光系统的整体利用效率,需要将高斯分布的光束整形为空间均匀分布的平顶光束。从能量守恒定律和等光程原理出发,分析了非球面镜整形系统,得到了面型相位分布,基于此原理利用纯相位型液晶空间光调制器实现了对近高斯分布光束的光强整形,获得了近"平顶"的光束近场分布,并利用哈特曼波前传感器测量了整形后的光束波前相位分布。     

半导体激光器线阵的棱镜组光束整形器和光纤耦合输出

针对半导体激光器线阵输出光束快慢轴方向光参数积不对称问题,提出并制作了基于直角棱镜片的光束整形器,其具有结构简单紧凑,制作安装容易的特点。通过数值仿真和实验对光束整形器进行了分析,研究表明整形器实现了半导体激光器线阵输出光束的对称化,并且光束经过透镜聚焦后对数值孔径为0.46,直径为200μm的光纤进行耦合,效率为53%。     

渐进多焦点镜片光学系统MTF评价的仿真分析

针对渐进多焦点镜片的评价问题,提出了利用像质评价参数MTF对渐进多焦点镜片进行客观评价,通过对镜-眼联合光学系统的MTF理论仿真分析来评价渐进多焦点镜片的成像质量。考虑了人眼在实际视物时须有一定的转动角度与实际佩戴镜片的2个特征:镜面角与倾斜角,将装配镜片时的倾斜角与镜面角设定为0～10°;将人眼视物时的转动角度,在戴镜的情况下设定为±20°,表现为视远区、过渡区与视近区;将人眼视物时的清晰成像的较大视场设定为±5°。利用光学设计软件对6只渐近多焦点镜片中的6个典型区域进行分析,结果表明:像散主要由子午光束与弧矢光束没有汇聚在一个点上造成的,而渐进多焦点镜片的焦点呈渐进变化,其表面为非旋转对称的复杂表面,镜片的像散不同,其改变佩戴角度后会对成像质量造成一定影响。佩戴角度中的倾斜角对镜片MTF值的影响比镜面角对镜片MTF值的影响大。实际佩戴角度在不同视场下会对渐进多焦点镜片的成像质量造成一定的影响,利用像质评价参数MTF来评价渐进多焦点镜片时应将其考虑在内。     

减小变焦系统凸轮曲线压力角的方法

为了使机械补偿的连续变焦光学系统可以连续、平稳地成像,提出了一种减小变焦系统凸轮曲线压力角的方法.改变变倍曲线方程,运用动态光学原理,拟合的补偿曲线的压力角有明显减小趋势.原始设计变倍曲线的压力角为31.4°,补偿曲线的最大压力角大于50°.运用插值法改变变倍组方程,得到的变倍曲线的最大压力角小于37°,补偿曲线的最大压力角小于23°,得到的新的凸轮曲线满足曲线压力角小于45°的要求.实际光学系统检测的结果证明了这种方法的可行性.该方法可以有效地减小凸轮曲线的压力角,实际变焦系统能够连续清晰地成像.     

基于双柱透镜慢轴准直激光二极管堆栈光束匀化系统

为实现高功率激光二极管堆栈光束的匀化与整形,提出基于双柱透镜慢轴准直的匀化系统。利用双柱透镜实现对高填充因子激光二极管慢轴方向光束发散角度的压缩,降低成像型多孔径光束积分器中微透镜的数值孔径,减小匀化系统体积。通过三个限定条件确定了双柱透镜参数取值范围,并通过像差分析对双柱透镜进行了优化,实现慢轴方向光束剩余发散角度1.74。结合成像型多孔径光束积分器,设计了激光二极管堆栈的匀化系统,并进行了实验测试。实验结果表明,在中心光斑尺寸约为6 mm6 mm范围内,光斑不均匀性为8.11%。     

大功率激光二极管双峰结构远场分布模型

为了合理地设计光学系统以整形激光二极管出射光束,必须准确了解激光二极管的远场分布,然而对于大功率激光二极管仍没有形式简单并且较好反映实际器件特性的光束模型。基于亥姆霍兹方程的严格远场解,提出使用两个离心高斯光束描述场源处平行结平面方向的模式场分布,将其代入严格远场解中得到一种描述大功率激光二极管远场光分布模型．用于描述其双峰远场结构。理论模型与三种实际器件的测量数据进行了比较,曲线主要部分都能很好吻合,并且偏差部分的能量仅占总能量的1％～2％。该模型数学表达形式简单,可以方便地用于研究光束经光学系统后的变换,以及计算光学系统的耦合效率,而且对于定量设计光学整形系统十分有用。     

空间滤波器失调对2kW射频板条CO_2激光器输出光束的影响

2kW射频板条CO_2激光器光束整形系统中空间滤波器具有消除旁瓣、提升光束质量的作用,研究其失调对输出光束的影响具有现实意义。通过理论和实验研究了空间滤波器失调对光强分布的影响,理论分析与实验结果基本一致。数值模拟了失调对输出功率的影响。结果表明,空间滤波器非稳方向横向位移失调对输出功率的影响不是线性的,输出功率损耗随着横向位移的增加急剧增大;对整形光束光强分布的影响很大,失调量大于0.2mm时就会使整形光束非稳方向出现明显的旁瓣。空间滤波器轴向位移失调对功率影响较小,但对光斑形状有比较明显的影响,失调量达到10mm时,整形光束两个方向的直径差可达3mm。空间滤波器旋转失调角度在10°以下时,对整形光束非稳方向光束的影响可以忽略,主要影响波导方向光束,旋转失调会使模式变差。旋转失调对功率也有较大的影响,失调角度为10°时,功率损耗增加到25%。     

基于光束参量优化实现直接驱动靶丸均匀辐照

在直接驱动惯性约束聚变中,实现靶丸均匀辐照对靶丸压缩特性至关重要,通常要求靶丸表面辐照不均匀度小于1%.现有很多优化高功率激光装置均匀辐照性能的光束排布方案,但受到实际入射光束参量的限制,系统均匀辐照性能难以实现最优化.由于初始辐照不均匀度对靶丸对称压缩特性至关重要,为进一步提高靶丸初始辐照的均匀性,并增加系统对打靶过程中由于靶丸直径变化引起的辐照不均匀的宽容度,从而实现靶丸的中心对称压缩,本文对靶丸表面光束的辐照不均匀度进行了数学分析,并研究了不同入射光束参量下的单光束因子项及其对靶丸均匀辐照的影响.结果表明:对于已知的光束排布结构,存在最优的入射光束参量,使辐照均匀度最高.证明了通过优化入射光束参量提高系统均匀辐照性能的可行性.此外,研究表明单光束因子项与几何因子项存在一定的匹配关系,可通过分析几何因子项的特征,求取与之匹配的单光束因子项,进而获得最优的入射光束参量.本工作为直接驱动靶丸均匀辐照系统的设计和优化提供了一种有效的方法.     

平面激光诱导荧光实验中激励激光的光束整形

分析了激励激光光强分布对平面激光诱导荧光（PLIF）实验中荧光强度的影响。基于柱面微透镜列阵设计了一套激光片状光束匀滑整形系统,并根据PLIF实验的具体要求,通过光线追迹方法优化了系统参数。建立了片状光束整形实验系统,对染料激光进行了匀滑整形,获得了不均匀性〈4%的均匀片状光束,满足了PLIF实验所需。在此基础上建立了PLIF实验系统,获得了酒精灯火焰和CH4/air预混火焰中OH的二维荧光分布。     

基于高斯过程回归的线性激光束指向稳定优化

为解决激光应用中的光束指向抖动问题,提出一种基于高斯过程回归（Gaussian process regression）的激光光束指向稳定性优化方案。介绍了激光光束指向稳定系统装置构成及原理,论述了高斯过程回归方法的原理及其作为激光光束快速稳定控制算法的优势。经过该方法优化后,指向抖动达到水平方向2.3μrad,竖直方向3.3μrad,将激光系统指向稳定性提高了1个数量级以上。指向性抖动为已有线性反馈系统的20%,尤其对于高频噪声优化有显著效果。该研究对于激光光束指向性敏感的精密实验和精密加工具有重要意义。     

利用边缘相位校正实现光束整形的高精度优化

提出利用边缘相位校正的新方法,校正用追迹法设计的产生环形光束的衍射光学元件的相位分布,从而实现光束整形中的高精度优化。通过将高斯光束整形为环形光束,将该方法、G-S(Gerchberg-Saxton)算法和改进的G-S算法设计得到的整形结果作了比较,结果表明,G-S算法的整形结果虽然衍射效率最大,但是均方根值和最大偏差也太大;改进的G-S算法可以有效的降低均方根值和最大偏差,但衍射效率也有较大的下降;而用边缘相位校正可以在衍射效率略微下降的情况下,更大的降低均方根值和最大偏差,其整形结果是综合了衍射效率、均方根值和最大偏差这三个评价指标以后得到的最优化结果,已接近理想的环形光束。     

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。