高能激光环形光束近场和远场传输特性

为满足高能激光环形光束在近场区和远场区的实际应用需求,从电磁波衍射积分方程出发,推导了环形光束光场分布和远场光强分布表达式,并对光场分布和光强分布进行了分析,得到光强分布与高斯光束的有限孔径大小、中心遮拦比和传输距离的关系.引入大气湍流场景,采用相位屏法对环形光束在不同湍流强度下的大气传输进行了数值模拟和分析,研究了受大气湍流影响远场光斑畸变、光斑破碎、光束扩展和漂移等的增强现象.最后开展了环形光束近场区大气传输数值模拟和实验,结果表明:随着传输距离的增加,光斑中心光强越来越强,光斑逐渐趋于均匀,平均光强呈类高斯分布,近场区环形光束扩散和光斑畸变现象受大气湍流影响而增强.     

离焦写入线宽的动态高斯模型

为提高集成光学器件中的多线宽制作效率,提出了基于激光直接写入技术的离焦加工模式,即加工时激光束的聚焦点不落在胶层表面而是在其前方或后方;同时还建立了基于多个加工参量的线宽数学模型。此线宽模型首先假定激光束经物镜变换后,在像方任意离焦面上的能量仍保持高斯分布,其次还考虑了光束动态扫描引起的光斑线度对曝光能量分布的影响,故称其为动态高斯模型。此线宽模型涉及光功率、基片离焦量、光束扫描速度、胶层曝光能量阈值等加工参量。对线宽模型的验证在自行研发的极坐标型激光图形发生器上进行,实验表明:相对于不考虑光斑运动的静态高斯模型,动态高斯模型更为符合实验结果。     

激光束受限衍射对扫描系统分辨本领的影响

基于菲涅耳衍射积分公式推导出激光束经扫描元件衍射后场分布表达式,数值分析了激光束经扫描元件后衍射场振幅分布、激光束在扫描面上的光斑半径和激光扫描系统光学分辨本领的大小.结果表明,改变入射光束的束腰半径对激光扫描系统线分辨率、可分辨光点数和分辨容积产生不同的衍射影响.采用近似和拟合方法,分段给出不同衍射情况下激光扫描系统的线分辨率的函数表达式,并通过误差分析证明了近似和拟合函数表达式的精确性.     

环形孔径高斯光束的远场特性

 讨论了环形孔径高斯光束的远场光斑能量分布,并给出了拟合表达式。首先推导了光束没有抖动时远场光斑的光能分布表达式,然后研究了各种不同中心遮拦和不同光束截断比, 在有以及没有激光束抖动的情况下,对高斯光束的远场环围能量的分布变化的影响。     

李萨如图激光扫描模拟机理分析

对李萨如图激光扫描模拟机理进行理论分析．其结论是：两个以不同频率相互垂直简谐振动的反射镜，将定向入射的激光光束转化为同时在两个相互垂直方向上散射的激光束，且相应两个方向的散射角分别依两镜片简谐振动的规律变化，这种散射激光束照射在演示屏上光斑的运动轨迹便是李萨如图的模拟。     

用远场法研究自由旋气动窗口的光学特性

 采用He-Ne激光,对穿过自由旋气动窗口的远场聚焦光斑进行图象采集和数据处理,研究本气动窗口对透过其输出通道的激光束所带来的偏转和随机抖动现象,计算分析气动窗口对激光束发散特性的影响,定义和实验研究气动窗口的光束质量β因子。同时,分析讨论气动窗口对激光束远场聚焦光斑光强分布的影响,并提出气动窗口光束质量和气动窗口设计的进一步研究思路。     

一种大面积高能激光光束参数的在线测量方法

 提出了一种大面积连续波高能激光光束参数的在线测量方法——环形光刀扫描测量法。该方法采用偏心安装的斜面环形光刀高速扫描反射，光电探测器阵列沿反射光圆周均匀布置探测，使得绝大部分被测激光沿原光路传播，只有少量取样光被反射到探测器阵列上。通过对采集得到的探测器响应信号进行空间映射计算和图像复原，得到激光束的光强分布参数。该方法可用于光束直径数百mm的高能激光光束测量，测量空间分辨率约2 mm，时间分辨率为30~50 ms。     

卡赛格林望远系统与激光束参数的匹配

在共孔径卡塞格林望远镜系统中次镜遮拦造成了激光束能量的损耗，远场光斑扩展，降低了照射到目标位置处的激光功率密度，关于这方面已经有了一些相关的报道。发射的DPL激光束光强分布具有中心强边沿弱的类似高斯分布的特点，为了与卡赛格林系统匹配，实心光束需要扩束到合适的口径，并通过环形光阑变为环形分布才能耦合到望远镜发射出去。但是，光束扩束倍数与望远系统参数的匹配问题，还未见报道。为了提高激光的能量利用效率，提高目标位置处的功率密度，增加系统的有效作用距离，有必要研究发射系统的参数匹配问题。     

液体中脉冲激光的光声偏折技术

本文导出了TEM_(00)脉冲激光引起的液体中温度场的分布和光声脉冲压力的表达式.讨论了激光脉冲持续时间,激光束宽度对压力信号的影响.采用高斯光束光斑偏折技术所得实验结果与理论很好地符合.为流体热力学参量非接触实时检测提供了一种新颖的光学方法.     

改善输出光束质量的环形凹面镜激光谐振腔的研究

武汉光电国家实验室工业激光器研究团队一直致力于高功率高光束质量激光器的研究,在新型谐振腔的研究中,获得授权发明专利3项,申请发明专利2项。该团队提出了一种新型激光谐振腔,即环形凹面镜激光谐振腔,该谐振腔由一个环形凹面反射镜和一个平面输出镜组成。理论模拟表明,菲涅尔系数为8．05的环形凹面镜激光谐振腔的输出光束M2因子接近于菲涅尔系数为2．01的平凹稳定腔的输出光束肝因子,环形凹面镜激光谐振腔的模体积为平凹稳定腔模体积的4倍。利用该谐振腔在高功率横流CO。激光器进行了试验研究,输出光束为等相位面的环形光斑,即近场为环形分布,远场（聚焦处）为中央亮斑分布。相同光阑尺寸的平凹稳定腔和环形凹面腔对比研究表明,在激光功率没有明显降低的情况下,输出光束的肝因子由平凹稳定腔的7．5提高了1．9。环形分布光束可以降低谐振腔镜片和外光路镜片的热畸变,对于高功率激光器的工业应用非常有意义。这种谐振腔结构简单,进一步解决其失调稳定性问题,将有助于该类谐振腔在多种工业激光器中获得应用。     

Nd∶YAG脉冲激光器双光路输出分时控制系统的设计

针对现有激光器多光路加工特点,采用Nd∶YAG脉冲激光器为光源,研制出激光器双光路输出分时控制系统。提出了具体的分时分光技术方案,设计出能够实现分时分光的分光装置,以及对装置的工作状态进行实时控制的分时控制电路,并确定了系统的程序流程。在不降低输出功率的前提下,实现了激光在不同时间、不同输出端口的输出,完成了分时分光。为避免因分光装置抖动而造成的光纤损坏,利用黑色相纸对光斑进行采样。结果表明：在全反镜改变位置后至激光输出,延时300 ms为最佳时间。该系统能实现激光的时分复用、动态分光,满足了多光路输出需求;而且系统的扩展能力强,能够根据实际激光加工状况,为激光加工设备的改进和升级提供思路。     

光纤扫描式激光光斑测量仪

 设计并开发了光纤扫描式激光光斑测量仪。光纤探头采用逐行扫描的方式对激光光斑进行扫描,采集的光信号经能量转换、数据采集,最终传输到电脑,再由软件绘制出光斑图像。针对于大口径、脉冲激光光斑的测量提出了一种快速扫描的方案,并在此基础上计算分析了仪器的测量精度和测量时间这两个重要参数。与CCD摄像法进行了对比实验研究,结果表明：相对于CCD摄像法会受到接收屏的散射及成像系统误差带来的影响;此设备采用直接测量的手段,能够更加准确地获得光斑的实际尺寸以及光斑能量的空间分布。应用该仪器成功地进行了聚焦光束传输质量的测量。     

固体激光器与光纤激光器对光子晶体光纤棒耦合的分析与对比

耦合效率的高低与耦合后光斑的好坏直接影响着光子晶体光纤棒的放大效果,因此需要对种子光的耦合效果进行研究,选择合适的激光器作为种子源。本文对光子晶体光纤棒在固体激光器与光纤激光器两种情况下的耦合效率进行了理论分析;模拟计算了两种激光器情况下耦合效率的变化规律以及对准误差对耦合效率的影响;选择合适的透镜或透镜组,使用两种激光器对光子晶体光纤棒进行了耦合实验;对比两种激光器的耦合效果可知:固体激光器的耦合效率最高只能达到62.4%,而光纤激光器的耦合效率可以达到80%以上;在光纤激光器耦合情况下,对不同功率注入时耦合效率,以及耦合后光斑进行了实验分析。得到的实验结果对后续光纤棒的放大实验具有指导作用。     

光斑尺寸对光学薄膜元件温升的影响

 实验测量了波长1 064 nm， 10 kHz高重复频率激光辐照下在白宝石、石英玻璃、K9基片上制备的Ta₂O₅/SiO₂高反膜的温度变化，有限元分析的结果与实验结果相一致。用ANSYS程序计算了不同光斑直径、相同功率激光和相同功率密度激光辐照下薄膜元件温升的变化。结果表明：相同功率激光辐照光学薄膜元件时，光斑大小只影响激光辐照点的温升，对基板温升没有影响。基板温升只与激光功率有关，激光功率越大，基板温升越大。相同功率密度激光辐照光学薄膜元件时，光斑越大，激光辐照点温度及基板温度均越高。从激光损伤的热效应考虑，小光斑激光辐照时，光学薄膜的激光损伤阈值较高。     

旋转式激光光斑测试仪

 通过旋转系统的设计，成功研制出大单元数的阵列光斑测量仪。本文给出了研制的设计思想，实现方法及实验测量结果。     

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。     

CCD摄像法测量激光远场光斑中图像校正和能量修正算法研究

介绍了CCD摄像法测量激光远场光斑的工作原理。依据CCD摄像机拍摄激光远场光斑的倾斜角度,在处理算法中利用透视投影原理,将采集光斑的畸变图像进行了校正;针对CCD摄像法摄取的漫反射激光光斑图像,构建了朗伯漫反射模型,利用朗伯修正算法将漫反射激光光斑的能量密度修正到直射激光光斑的能量密度,推导出了具体的修正计算公式。通过实际应用,验证了该算法在激光远场光斑测量中的有效性。     

激光辐照下镀铬介质高吸收镜的热变形

为了分析激光辐照下反射镜热变形对光束质量的影响, 本文建立了激光光束45°角入射时镀铬介质高吸收镜的热固耦合模型, 对不同辐照光束下反射镜的热变形和镜体厚度对热变形的影响进行了分析, 并用哈特曼波前传感器对自由边界条件下的镜面热变形进行了检测。结果表明:吸收功率在0.085~0.185 W时, 镜面热变形随吸收功率的增加近似线性增加, 随辐照光斑的增加而减小;反射镜厚度在1~5 mm范围, 镜面热变形基本不变。在激光照射的初始阶段, 反射镜表面温度和热变形迅速增加, 在激光连续照射20 s后, 镜面温度增加量逐步变缓, 镜面热变形则在1 s以内就上升至0.27 μm, 之后变形量缓慢增加, 在100 s后达到相对稳定状态;关闭激光后, 镜面在120 s后恢复到初始状态。分析表明, 产生误差的因素主要为光斑大小和辐照光束入射角度。     

Diagnostic system for two dimension intensity distribution of laser beam

The diagnostic system for two dimension(2-D)intensity distribution of laserbeam is a measuring instrument for many parameters of laser beam.2-D intensity distributionplot of laser beam is obtained by the two dimension scanning mirror which is controlled by amicrocomputer to scan the laser beam on a detector.Many parameters of laser beam such asthe isointensity distribution plot,the beam diameter,the beam waist diameter,the laser pow-er,the diverge angle and the beam brightness,are given by means of the microcomputer pro-cessing the data measured.Theoretical analysis of beam parameter transform is given.     

TEA-CO2激光辐照HgCdTe图像传感器的实验研究

利用TEA-CO₂激光对碲铬汞(HgCdTe)图像传感器的干扰和损伤现象进行了实验研究,分析了干扰和损伤机理。探测器上激光能量密度小于255 mJ/cm2时,饱和像素仅出现在光斑区域,激光能量密度为425.8 mJ/cm2时,像素被损伤,观察到了弥散斑和暗环等现象。建立了探测器的激光辐照模型,计算了探测器的温升,讨论了温升与载流子浓度、迁移率的关系。分析认为,弥散斑的出现是探测器升温产生的热激发载流子浓度扩散所致,暗环的出现是迁移率与载流子浓度扩散共同作用的结果,像素的损伤则是因为温升导致汞的析出。