LD端面泵浦变热导率圆片Yb∶YAG激光器的热效应

针对激光二极管端面泵浦圆片Yb∶YAG晶体产生的热效应问题,以实际工作特点为基础,通过热传导理论分析了热效应。分析了不同泵浦功率、超高斯阶次、光斑半径、晶体尺寸因素对变热导率圆片Yb∶YAG晶体温度场的影响。研究结果表明,使用泵浦功率为60W、超高斯阶次为5、光斑半径为400μm的泵浦光对含质量分数为8%、晶体半径为4mm、厚度为0.5mm的圆片Yb∶YAG晶体进行泵浦,在将晶体的热导率分别视为常量和变量时,泵浦端面获得的最大温升分别为52.15℃和59.51℃。根据计算结果,设计了适合的激光器热稳腔,能充分抑制激光器产生的热效应问题。     

空气导热作用下Nd:YAG晶体温场特性

为了实现激光二极管端面泵浦Nd:YAG晶体温度场的精确计算,在晶体端面导热边界条件下建立热模型。首先根据热传导方程,以解析分析理论为基础,应用常数变易法和特征函数法,在考虑晶体端面存在热交换情况下,计算得到808 nm激光泵浦Nd:YAG圆棒晶体的温度场分布,分析了泵浦激光功率、光束半径及超高阶次等因素对晶体温度场分布的影响。分析结果表明:当功率为60 W、光斑半径为0. 4 mm的泵浦光作用于半径为1. 5 mm,长度为5 mm的Nd:YAG圆棒晶体时,该晶体内部最高温升出现在泵浦端面中心处,最高温升为426. 3 K,得到晶体的热透镜焦距为272. 98 mm。由于在计算中考虑了空气的导热作用对晶体温度场分布的影响,更符合实际情况,因此结果能更真实反映晶体内部温度场的分布情况。本文研究为精确分析相关激光晶体的温度场分布提供了指导,并为激光器性能的优化提供了理论依据。     

热透镜控制激光光束质量技术研究

在端面抽运固体激光器中,就如何改善在高抽运功率时输出激光的光束质量,提出一种激光器的设计方法。在激光器谐振腔中放入多根掺杂浓度不同的激光介质,利用激光介质内部产生的热透镜控制抽运光和基模振荡光的空间分布,并且最大限度地使抽运光的分布区和基模振荡光分布区重叠,实现抽运光与基模振荡光在空间上高度匹配,进而提高抽运光能量的利用效率和振荡光的光束质量。实验表明,在不同抽运功率下,抽运光和基模振荡光在晶体内部的光斑的空间分布可通过热透镜加以控制。在端面抽运功率200 W附近时,实现了抽运光与基模振荡光较高程度匹配,光束质量因子M2由14.7改善为4.1。     

15W光子晶体光纤激光器的研究

利用光子晶体光纤在原来输出功率3 4W的基础上,研制成功了激光输出15W的光子晶体光纤激光器,实验装置为典型的F P腔结构,分别采用二色镜和光纤端面作为高反射腔镜和激光输出腔镜 一端二色镜紧贴光纤的入射端面,它对1 0 5 μm～1 1μm波段信号光的反射率大于99% ,对976nm泵浦光透射率为93% ;另一端利用光纤端面4 %Fresnel反射作为输出端反馈与二相色镜构成了线形谐振腔 实验采用掺Yb3+ 双包层光子晶体光纤,长度为2 0m 内包层为2 0 0 μm ,外包层为380 μm ,Yb2 O3浓度为1 5mol % 当泵浦功率为6 0W时,获得了15W 1 1μm的激光输出 15W光…     

激活介质热效应对振荡模式的影响研究

理论分析了激活介质热效应对端面泵浦固体激光器激光振荡模式分布的影响,并以光纤耦合半导体激光器端面泵浦Nd∶YAG激光器实验研究了激活介质热效应对激光振荡模式的影响。实验结果表明：由于热效应,基模的模体积随泵浦功率的增加而变大,基模在模式竞争中占优;在泵浦光轴线偏离几何腔轴时,基模光斑中心位置朝泵浦光轴线所在位置移动,偏离量与泵浦光轴线的偏离量近似成线性关系。利用实验结果指导腔调节,可使泵浦光轴线与几何腔轴精确重合,获得了椭圆率为0.98、M2因子为1.01的基模输出。     

LD端面泵浦变热导率方形Yb∶YAG微片晶体热效应

针对激光二极管端面泵浦方形Yb∶YAG微片晶体产生的热效应问题,运用半解析方法计算该晶体的温场分布。根据连续LD端面泵浦方形Yb∶YAG微片晶体的工作特性,建立符合实际工作情况的热模型,构造初始条件和边界条件。同时考虑到晶体的热导率是温度的函数,并结合牛顿法求解热传导方程,得到晶体温度场的一般解析表达式。定量分析了不同的泵浦功率、超高斯阶次、光斑半径、晶体厚度因素对变热导率方形Yb∶YAG微片晶体温度场的影响。结果表明:使用泵浦功率为80 W、超高斯阶次为1、光斑半径为400 m的泵浦光对含方形Yb∶YAG微片晶体质量分数为8.0%、晶体的尺寸为431 mm3进行泵浦,将晶体的热导率视为常量和变量时,泵浦端面获得的最大温升分别为41.25 ℃和52.14 ℃。研究结果对减小全固态Yb∶YAG晶体的热效应问题具有指导意义。     

基于BGO晶体的反射型法拉第光纤电流传感器

采用Bi4Ge3O12（BGO）晶体作为传感元件,设计了一种闭合磁环型光纤电流传感器,并对其传感特性进行了理论分析和实验研究.将BGO晶体加工成一带斜面的长方体,并在端面镀金属膜,通过光在晶体中多次临界反射来增大光程以提高测量灵敏度.实验测量得到的法拉第转角与采用倍频法测量的结果符合较好,但与实际结果存在一较大比例系数.对产生该系统误差的主要因素——传感头端面金属膜反射引起的相移及入射角偏离临界角时产生的相移进行了详细地理论分析和数值模拟.结果表明,金属膜反射和偏离临界角引起的相移对测量结果均有较大影响,但输出与作用在传感头上的磁感应强度呈很好的线性关系,可以通过将传感器的测量值乘上一个补偿系数来消除反射相移所产生的误差.     

Nd:YVO4/KTP一体化绿光激光器理论分析与实验研究

分析了LD端面泵浦Nd:YVO4/KTP一体化微型绿光激光器的绿光输出功率随泵浦功率、泵浦束腰斑以及KTP晶体长度的变化关系,并采用掺杂浓度1%Nd:YVO4和5 mm长的KTP光胶为一体的晶体进行实验研究.     

离轴抽运对Nd:YAG激光器振荡模式影响的研究

以激光二极管端面抽运固体激光器为研究对象,通过实验研究了离轴抽运条件下,离轴量的大小对Nd:YAG激光器的振荡光阈值、振荡模式、光束质量以及激光器的斜效率的影响,分析了在同一抽运位置改变LD电流时输出光位置及模式的变化情况.实验结果表明,当抽运光离轴量增大时,斜效率增大,但输出光依次出现从低阶模到高阶模的变化,激光器的振荡阈值升高,光束质量变差;在同一抽运位置增大LD电流时,输出光从高阶模向低阶模转化,光斑中心向此时的抽运中心轴靠拢.     

离轴抽运对Nd∶YAG激光器振荡模式影响的研究

以激光二极管端面抽运固体激光器为研究对象,通过实验研究了离轴抽运条件下,离轴量的大小对Nd∶YAG激光器的振荡光阈值、振荡模式、光束质量以及激光器的斜效率的影响,分析了在同一抽运位置改变LD电流时输出光位置及模式的变化情况。实验结果表明,当抽运光离轴量增大时,斜效率增大,但输出光依次出现从低阶模到高阶模的变化,激光器的振荡阈值升高,光束质量变差;在同一抽运位置增大LD电流时,输出光从高阶模向低阶模转化,光斑中心向此时的抽运中心轴靠拢。     

大口径球面反射镜曲率半径的精确测量

介绍了大口径球面反射镜曲率半径的传统测量方法,提出了利用组合测杆结合激光干涉仪测量球面反射镜曲率半径的新方法。首先利用激光干涉仪检测球面反射镜的面型,调整干涉仪与被测镜的位置,使被测镜达到零条纹干涉状态,然后架设合理长度组合测杆,调整组合测杆靠近干涉仪端测量球头的位置,使之达到零条纹干涉状态,再使组合测杆另一端测头与镜面接触完成测量,通过计算分析即可得到被测球面镜的曲率半径。对该方法的基本测量原理进行了研究分析,并对口径为600 mm的望远镜球面主镜的曲率半径进行了多次测量,测得其曲率半径均值为2 836.774 mm,标准偏差为0.071 mm。最后对该方法的测量不确定度进行了分析,找出了影响测量精度的主要因素,合成标准不确定度为0.061 mm。     

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%。     

基于EKF的水下LD通信精对准控制算法

高速激光通信中接收机与光斑中心很难处于精对准状态,导致水下光通信链路难以稳定建立.首先采用蒙特卡洛仿真统计法分析激光光子在海水中传输的接收光强分布规律,再通过实验对接收端的光斑图像进行采样分析,利用曲线拟合得到接收器位置与接收光强的关系.仿真与实验结果表明:光束经过25 m的水下传输,接收光强分布仍近似为高斯分布.采用非线性估计算法(扩展卡尔曼滤波)与基本状态控制反馈理论,根据接收光强度估计接收器当前位置与最大光强处的距离,通过反馈算法实现接收端与光斑中心的主动跟踪对准.算法仿真结果显示,接收端对准误差在2 mm以下,稳定后接收效率超过98%.     

圆锥透镜对倾斜球面波光束的衍射模式

由于球面波入射圆锥透镜所产生的出射光束具有焦深长和中心光斑直径较小的特点,适合激光通信以及长距离测量.在实际使用中,入射球面波很可能与圆锥透镜的光轴发生倾斜.研究了圆锥透镜对倾斜球面波光束的衍射特性,通过基尔霍夫衍射理论以及稳相法分析,分析了其径向衍射光场分布形式,并用计算机进行了仿真.使用了半径为15 mm、底角为1°的圆锥透镜进行实验,并对仿真结果进行了验证.仿真和实验证明,减小入射球面波曲率半径、出射光束传输距离和入射光束倾斜角都可以减弱入射光束倾斜对衍射图的影响.     

光电系统多光轴平行性校准方法的研究

 比较了目前常用的几种多光轴平行性测试方法。在大口径平行光管法的基础上,结合CCD技术提出了新的光轴平行性校准方法。该方法采用ZYGO干涉仪精确定焦,通过比较目标靶在CCD上共轭像的中心坐标和被测系统激光光斑中心坐标之间的差异,即可计算出红外或者可见光轴与激光轴的平行性误差。分析了该方法中大口径离轴抛物面镜焦面的确定与激光光斑中心定位等问题。讨论了该方法的测量不确定度,得到测量不确定度小于5″。     

LDA侧面泵浦固体激光器泵浦结构参数优化

为LDA侧面泵浦Nd∶YAG棒状固体激光器的优化设计、参数选取及后续试验提供了理论依据和参考,建立了环形侧面泵浦棒状介质泵浦光场分布数值计算模型,研究了LDA侧面泵浦固体Nd∶YAG激光器泵浦光场的分布特点。模拟分析了LDA的bar间距、玻璃管厚度、激光晶体半径等几个主要泵浦结构参数对泵浦光场分布的影响。通过对不同泵浦参数下泵浦光分布特性的数值计算,优化了LDA侧面泵浦固体激光器的泵浦结构参数,优化后的仿真结果表明:在泵浦距离为2 mm条件下,晶体直径为4 mm,玻璃管套筒厚度为1 mm,冷却水层厚度为1 mm时,泵浦光在晶体中心处强度相对值为40.8%,在晶体轴心附近分布比较均匀,且均匀分布区域相对较大。     

大气环境下激光光斑瞄准偏差的补偿方法研究

针对大气环境下激光光斑瞄准偏差的问题,设计了激光光轴偏差测试系统,讨论了大气环境中由于诸多因素的影响而导致激光光斑几何中心与目标中心发生偏移而不能对准的现象。提出了数字图像处理技术与重心法相结合的一套新的偏差补偿算法。充分利用激光光斑全场数据,从理论和实验上对大气环境下的激光光斑瞄准偏差进行了分析和研究。外场实验结果表明,该方法可以对瞄准偏差进行有效补偿,具有较高的工程应用价值。     

复合式无遮拦激光扩束器的设计

为满足大功率激光发射的要求,提出研制一种基于卡塞格林系统的大口径激光发射的复合式无遮拦激光扩束器,消除卡塞格林系统中心遮拦,提高激光发射效率。依据卡塞格林系统原理及其结构特征,结合伽利略折射式扩束器的特点,设计一种发射口径为550 mm的复合式无遮拦激光扩束器,采用反射式扩束器和折射式扩束器结合的方式,在卡塞格林次镜中心开通孔,使中心被遮拦激光透过。后接伽利略式折射扩束器,对中心透过光束进行扩束,两光束共轴发射。对设计的新型复合扩束器进行激光透过率实验,实验结果表明,对于波长10.6μm激光,透过率大于95.21%,比传统卡塞格林扩束器提高22.12%。     

Fixed-height exit bender of synchrotron X-rays above 40 keV

A crystal bender for sagittal focusing has been designed for standard monochromators at SPring-8. The bender does not move the position of the crystal center when the bending radius is changed. Sagittal focusing from 40 keV to 60 keV was achieved by using Si(311) double crystals. The flux density of the focused beam measured at 40 keV was 15 times higher than that of the unfocused beam. The height deviation of the focused beam throughout the measured energy range was within +/- 0.15 mm.     

圆锥透镜对偏轴球面波光束的衍射模式

球面波入射圆锥透镜产生的出射光束中心光斑直径较小且焦深长，适合通讯领域长距离测量和准直。针对实际操作中球面波光束入射时很可能与圆锥透镜的中心轴线发生偏移或倾斜，使衍射光场发生变化，着重研究圆锥透镜对偏轴球面波光束的衍射模式，并通过衍射理论和稳相法分析，研究其径向衍射光场的分布特性。使用半径为15mm，底角为1°的圆锥透镜进行计算机仿真和实验，最后将实验结果与理论分析和仿真结果相比较，证明球面波的曲率半径和出射光束的传输距离越小，偏轴对衍射模式的影响越小。该研究结果表明：在激光通讯等长距离通信中，使用曲率半径小的球面波光束代替平面波入射圆锥透镜，不仅可以扩展焦深，还可以降低偏轴对测量的影响。