大功率TEA CO2激光器非稳腔的设计与实验

相比于传统稳腔高功率TEA CO2激光器,如何在不降低功率的基础上,改善其光束质量一直研究者关心的问题。本文在原有稳腔激光器的基础上,设计了三组望远镜虚共焦腔镜,给出了完整的设计过程并进行了理论分析。同时对不同组的非稳腔激光器进行了对比实验研究,结果表明非稳腔能够在保证高单脉冲能量的基础上极大地改善激光远场发散角,其中最佳腔镜组合能够达到单脉冲能量13.7J,其发散角为1mrad（稳腔为2.4mrad）,激光脉宽50ns（稳腔为98ns）。这就为此种类型激光器应用于激光制造领域奠定了基础。     

LD激光束准直整形模块的研制

SDL-5400型号GaAlAs LD激光器产生的是单模高斯光束,在相互垂直方向上光束发散角不相等,且存在像散。为得到共腰的圆形光斑,由复参数q和ABCD定律,设计出两相互垂直的柱面透镜和棱镜对准直整形模块,通过CCD标定方法,得到经准直整形后的LD激光束在弧矢方向上的远场发散角为0.53mrad,子午方向为0.64mrad。     

基于铒玻璃激光器的激光射击光学系统设计

为真实模拟实弹射击场景,降低军事射击训练成本,设计了一种基于铒玻璃激光器的激光射击光学系统。该系统采用两级激光扩束,将铒玻璃激光器出射光束发散角二次压缩,实现极小发散角光束出射,提升了激光射击过程的人眼安全性。铒玻璃激光器出射光束发散角为15 mrad,出射光斑直径0.3 mm,激光扩束倍率300倍,系统出射光束发散角达0.035mrad。距光学系统出光口1 km位置,激光光斑直径约为120 mm,可满足千米射击训练要求,突破了常规激光射击系统百米量级的作用距离限制。设计的光学系统总长度为364mm,结构简单,利于工程化,应用前景广阔。     

二极管激光器垂直阵列光束精密准直

 为实现二极管激光器垂直阵列输出光束具有小发散角、高指向精度的特点,简述了快轴准直（FAC）微透镜的光束准直原理,分析了调节装置的精度要求及透镜选择等问题。通过光学成像方法实时监测二极管激光bar条的近场像和远场像,对FAC透镜分别进行粗调节和细调节,获得了20个bar条连续输出2 kW,垂直阵列二极管激光快轴准直光束远场发散角4.4 mrad,bar条间准直光束指向精度不大于±1.7 mrad的准直效果,并对监测精度进行了简要分析。对影响光束准直效果的因素进行了分析,指出了工艺优化的重点。     

强激光远场光束质量参数的测试

 提出漫射红外成像-多点标校测量方法,用于测量强激光远场光束质量参数。在激光远场距离处设置漫反射靶板,用成像探测器摄取经靶面漫射的脉冲强激光光斑图像;在靶面中心处挖小孔,孔后放置能量探测器实时测量激光脉宽和峰值功率。同时对整个激光光斑图像进行能量定标,进而得出远场脉冲强激光的实际空间能量/功率分布、总能量,以及相应的光束质量参数。应用该测量方法,对高能TEA CO₂激光进行测量研究,测得其远场光束截面半径为80.2 mm,发散角为1.55 mrad。     

非傍轴洛伦兹光束的传输特性研究

基于光强二阶矩理论,推导出非傍轴洛伦兹光束的远场发散角、近场发散角、束腰宽度以及光束传输因子的解析表达式,并通过数值模拟,得到它们与对应束腰宽度以及波长的关系。结果表明:与非傍轴高斯光束相比,在满足二极管激光器物理机制的条件下,非傍轴洛伦兹光束更符合二极管激光束的实际情况,因此,非傍轴洛伦兹光束更适用于描述二极管激光器等光源尺寸小且发散程度较大的激光光源。     

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。     

基于横向热流抑制的半导体激光芯片封装实验研究

为降低半导体激光芯片的慢轴远场发散角,提高其慢轴方向的光束质量,设计了横向热流抑制的封装结构。利用热沉间的物理隔离,削弱了半导体激光芯片慢轴方向上的温度梯度,有效降低了半导体激光芯片慢轴方向的发散角。采用热分析模拟了不同封装结构下芯片发光区的温度分布,并对波长915 nm的窄条宽半导体激光芯片进行封装。实验结果表明,在工作电流15 A,封装在隔离槽长4 mm,脊宽120 μm刻槽热沉上的芯片,其慢轴远场发散角由12.25°降低至10.49°,相应的光参量积（BPP）由5.344 mm·mrad 降低至4.5763 mm·mrad,慢轴方向亮度提升了约5.5%。实验结果表明,横向热流抑制的封装结构可以有效地削弱半导体激光芯片慢轴方向上由热透镜效应引起的高阶模激射,从而降低其慢轴远场发散角。     

高光束质量Nd:YAG激光系统的研制

 针对惯性约束核聚变驱动器激光预处理系统的需求,研制了一套高功率高光束质量Nd：YAG 激光系统,该系统中采用了高稳定的被动调Q单纵模振荡器、受激布里渊散射脉冲压缩和高效聚光腔等多种技术,获得了脉冲宽度3ns、激光能量1.1J、远场发散角0.3mrad的激光输出。     

高亮度人眼安全KTP OPO激光器

采用多模NdYAG激光器泵浦非临界相位匹配的KTP-OPO,获得了光束角2.3 mrad、输出能量400 mJ、平均功率12 W、光-光转换效率40%的1 572 nm激光.泵浦源的参数为能量1 J、重复频率30 Hz.分析认为采用KTP OPO将NdYAG激光器的1 μm激光转换到人眼安全波段的方法是获得1.5 μm激光的最有效的手段之一;非临界相位匹配的KTP OPO的主要优点是大的接受角和无走离,因此即使多纵模激光泵浦情况下也可以获得很高的转换效率.     

激光测头光束质量分析与控制

 建立了光束质量控制的数学模型,提出了一种可定量评价光束质量的参数优化选择方法。针对激光测头进行了两片式光束质量控制光学系统的优化设计,并与光束聚焦控制、准直控制方法进行对比实验。激光结果证明:该优化光束控制系统在测量范围内既保持了光束的均匀性,光斑尺寸较小(光腰尺寸为34 μm),又保证了光束的精细度,有效地抑制了光束质量引入的测量误差,在±5 mm测量范围内,其均方根误差仅为6.3 μm,测量精度明显优于聚焦控制和准直控制系统。     

光纤组束激光的工业加工应用前景分析

为了分析光纤组束激光的工业加工应用前景,对组束激光的角偏移和腔耦合效率进行了理论分析和数值计算,结果表明组束激光输出功率可以达到10kW量级。结合双光栅组束结构,对组束激光的光束质量进行控制,结果表明此条件下优化的组束激光光束质量可以达到1.4左右。光纤组束激光在输出功率和光束质量两方面均满足工业加工的应用需求。     

用于种子注入的微型二极管泵浦激光器

设计了一种用于种子注入的微型二极管泵浦激光器,并从LD泵浦固体激光器优化设计原则出发,对种子激光器的增益介质、耦合系统、谐振腔进行了优化设计.实验研究表明,该激光器运转稳定,输出光束质量高,光束发散角小,输出功率可达80 mW,可满足种子激光的要求.     

种子注入的短脉冲激光器特性研究

 从LD泵浦固体激光器优化设计原则出发，设计了一种微型二极管泵浦激光器，并对种子激光器的结构和参数进行了优化。该激光器运转稳定，输出光束质量高，光束发散角小，光-光转化效率为17-4%，斜率效率可达24%，输出功率可达80mW。将此种子激光注入到调Q激光器中，改善了调Q激光器的输出特性，使得激光脉冲的建立时间缩短了40ns，输出的横模场分布得到了明显改善。     

用BOXCARS技术诊断含铝固体燃剂燃烧场

介绍了用单脉冲BOXCARS技术测量含铝固体燃剂燃烧场的温度及氮气的浓度。分析了激光光束质量对CARS信号强度的影响,给出了在燃烧场中取得的单脉冲CARS光谱,并进行了理论拟合,得到了燃烧场的温度及组份浓度数据。在燃烧场中心高5mm处温度值约为2550K,氮气浓度平均为25.5%。测量了燃烧场中不同高度处CARS光谱,给出了燃烧场温度、氮气浓度随高度变化的曲线,对结果进行了分析。     

Design of a 2.5 THz submillimeter wave laser with optical pump beam guiding

A ring resonator design using the same set of mirrors for pump beam and submillimeter wave (SMMW) beam guiding is introduced. Optimal design is discussed on the example of a 2.5 THz methanol laser. It turns out that due to refocussing of the pump beam on the pinhole certain focal lengths of the focussing mirror, which mainly is responsible for the beam guiding, should be avoided. Diffraction losses and pinhole losses determine optimalg-parameters for which the pump beam guiding losses of the resonator are minimum, and optimal pump beam waist radii.The setup of an experimental laser with the optimized resonator and the experimental setup to measure laser performance are described, and results concerning laser output power, beam quality and efficiency are discussed.     

General design basis for a final optics assembly to decrease filamentary damage

The high-power laser beam in the final optics assembly of high-power laser facilities is often modulated by contamination particles, which may cause local high light intensity, thereby increasing the filamentary damage probability for optical components. To study the general design basis for a final optics assembly to decrease the risk of filamentary damage,different-sized contamination particles deposited on a component surface are simulated to modulate a 351-nm laser beam based on the optical transmission theory, and the corresponding simulation results are analyzed statistically in terms of the propagation characteristic and the light field intensity distribution of the modulated laser beam. The statistical results show that component thickness and distance between components can to some extent be optimized to reduce the appearance of local high light intensity, and the general design basis of component thickness and arrangement are given for different control levels of particle sizes. Moreover, the statistical results can also predict the laser beam quality approximately under the existing optics design and environmental cleanliness. The optimized design for final optics assembly based on environmental cleanliness level is useful to prolong the lifetime of optics and enhance the output power of high-power laser facilities.     

Improvement of the beam quality of a broad-area diode laser using asymmetric feedback from an external cavity

In this work, the use of an asymmetric feedback technique for improving the beam quality of a broad-area diode laser is investigated using numerical simulations. A mirror stripe is placed in the external cavity to select lateral mode and provide asymmetric feedback. The width and the position of the mirror stripe are optimized to improve the beam quality. The simulation results show a good beam quality of 0.7° FWHM and M ² value of 2.69.     

百瓦级近衍射极限VCSEL泵浦激光器

报道了高功率、高光束质量的垂直腔面发射半导体激光器(VCSEL)侧泵的Nd:YAG激光振荡器。从VCSEL泵浦源的主动冷却的热沉结构出发,设计了5个227 W的VCSEL线阵,并且通过优化侧面泵浦大口径激光棒的结构,研制成了具备480 W输出能力的棒状激光模块,相应的光-光效率为49.7%。在此基础上,设计了一种高功率、高光束质量的VCSEL侧面泵浦棒状Nd:YAG激光振荡器。腔内插入望远镜光学元件,并通过优化各光学元件的参数使其工作在热近非稳区域,以达到增大基横模体积和抑制高阶横模目的。最终,获得114 W的输出功率,相应的平均光束质量因子M2为1.42。由于VCSEL具备优秀的波长-温度稳定性,这种高功率、高光束质量的VCSEL泵浦的固体激光器在工业、空间等领域,具有极为广阔的应用前景。     

Numerical analysis of a dual-pass pumping laser with weak absorption

A model for a laser with dual-pass pumping is established, and an equation expressing the mode matching for this structure is presented. Through the numerical analysis of this equation, under the conditions of weak-absorption and effective absorption efficiency, the optimum radius of the pump beam waist as well as the optimum location is fitted to simple formulas, considering the quality of the pump beam, absorption coefficient, and beam waist of the cavity mode.Using these formulas, the laser with dual-pass pumping could be optimized to obtain a high slope efficiency. To test the utility of this model, an Nd:YVO_4 laser with dual-pass pumping and weak-absorption was built and optimized according to the results of the calculation. A good agreement between the results of the calculations and the experiment verified the model and the numerical analysis.