用于激光二极管抽运固体激光器热畸变补偿的微变形镜特性研究

在很多高功率的激光器中,由于热效应的缘故会导致激光器的光束质量大幅下降。为了改善激光光束的动态畸变,自适应光学是一种有效的方法。作为自适应光学系统的核心部件,设计了一种可用于大功率激光二极管抽运固体激光器(DPL)热畸变补偿的新型可变形反射镜,并且通过工艺流片实际制造出有效反射面积为30 mm×30 mm,拥有49个静电驱动单元的可变形反射镜。对该微机电系统(MEMS)微变形镜的变形特性进行了详细的理论分析和模拟研究,并和实际测量结果进行了比较,得到了满意的结果。为了实现闭环控制,对微变形反射镜的光学影响函数矩阵进行了全面测量,并用得到的电压矩阵对畸变激光光束的波前进行了校正。实验结果表明,微变形反射镜可以有效地改善激光光束质量。     

高功率固体激光装置主放大系统隔离技术实验

基于菲涅耳公式,分析了偏振光通过钕玻璃片的透射率及反射率,讨论了高功率固体激光装置离轴光束对隔离性能的影响。根据光轴和小开关晶体晶轴走偏导致的退偏损耗的原理,可以使用开关晶体的姿态去补偿光束旋转误差的退偏损耗。实验结果表明,钕玻璃片小角度变化不影响系统对偏振光选择性通过,并且利用开关晶体来补偿光束旋转误差的退偏损耗能提高系统隔离比3倍以上。关键词:高功率固体激光;主放大系统;隔离;布鲁斯特角     

高功率激光驱动器中的若干关键工程光学问题

高功率激光装置是一个复杂的有源巨型光学工程,其性能指标要求逼近科学技术与物理极限。驱动器研制有物理设计、工程光学和结构工程设计三大过程,工程光学在其中起着重要作用。高功率激光装置工程光学设计需遵循其特有的设计原则和要点,以保证装置的高性能。根据驱动器设计指标和设计特点,从总体光学设计、光束质量控制以及光束打靶精度控制方面,综述了高功率激光装置工程光学设计中的关键科学技术问题以及相应解决方法,为未来高功率激光驱动器的发展提供必要的工程设计参考。     

基于光斑形状光束快速自动准直算法

为满足高功率激光装置光路自动准直系统的高精度要求,提出一种光束非垂直过孔状态下椭圆光斑的光斑差值快速调节法,并引入局部自适应阈值二值化算法提高准直图像的定位精度.当椭圆光斑长短轴差值较大时,利用基于最小二乘法的椭圆拟合改进算法,求出椭圆光斑长短轴的轴长,通过远场反射镜调节长短轴轴长差值以调节光斑形状,直到获得规则的圆形光斑.分析了圆光斑中心与基准位置的偏差值,将差值转为闭环控制的步进电机调整步数,实现了高功率激光装置光束的快速自准直.该算法应用在某高功率激光装置光路自动准直系统中,结果表明,远场指向精度优于0.033″,优于目前高功率激光准直系统准直效果,提高了激光光束的指向性精度.     

基于800 mm口径半椭球反射镜的高温材料光谱发射率测量技术

为解决中高温条件下材料发射率的测量问题,提出了一种基于半椭球反射镜的高温材料光谱发射率测量技术。该技术使用800 mm口径半椭球反射镜大范围聚焦信号光,利用3种离轴抛物镜来切换不同测试视场,并利用高功率激光器对样品进行加热。仿真研究了所设计系统的测量误差,结果表明,反射率测量偏差最大为0.035,透射率测量偏差最大为0.031。构建了基于800 mm口径半椭球镜的发射率测量系统,测算了某合金材料和某半透明材料的反射率、透射率和发射率,表明所设计的系统可实现常温到中高温(300～1200 K)、多视场(30°、60°、90°)、宽谱段(2～14μm)的测量。     

一种测量光学元件高反射（透过）率的有效方法

本文提出一种测量激光谐振腔反射镜高反射率和测量镀有减反膜的高透过率光学元件的有效方法.特点是同时测量几块高反射率凹面镜或高透过率光学元件,其误差是普通单块测量方法的1/n.详细分析了一组激光腔镜高反射率和一组镀减反膜的平行薄片高透过率的测量结果.     

用光腔衰荡技术测量镜片的反射率

 根据光腔衰荡光谱技术原理，建立了测量镜片反射率的实验装置。利用该装置测定了一对反射率相等的高反射腔镜，反射率测试结果为（99.925±0.001）%;以22.5°将直腔变为折叠腔，测得的反射率为（99.992±0.003）％。重复测定反射镜样品的反射率，精度达到10^－5。该测量装置可用于超低损耗薄膜高反射镜反射率的精确测量。轻微移动探测器位置，对腔镜的测试结果影响不大。     

70mm×70mm光束取样光栅性能测试研究

介绍了一种用于惯性约束聚变研究的光束取样光栅的研制情况,光栅尺寸为70mm?0mm。利用星光II高功率固体激光装置实验平台对光栅的性能参数进行了实验测试,实验结果表明:光栅的三倍频激光取样效率为5.6?光束取样角为13.2。     

基于离轴积分腔吸收光谱技术的低浓度水蒸气测量

水蒸气的浓度是半导体密封元器件生产过程的重要指标之一,水蒸气的浓度超标将对半导体的产品质量造成严重影响,开发高灵敏度、高精度的实时水蒸气检测技术至关重要。搭建了一套基于离轴积分腔吸收光谱技术的低浓度水蒸气测量实验装置,反射镜的反射率为0.99920,有效光程为250 m,探测时间为0.025s。通过激光光束离轴入射到激光谐振腔提高了谐振腔的模式密度,从而提高了积分腔输出吸收光谱的信噪比。利用该装置对水蒸气在7036.5cm-1附近的吸收进行测量,探测灵敏度为7.07×10-6 cm-1,测量误差小于5%。分别向腔内注入不同浓度的水蒸气,对系统的在线连续测量性能进行了测试,结果表明该系统可达到工艺应用的要求。     

高功率激光器光束质量测量的衰减缩束实验

针对目前光束质量分析仪只能用于小口径、低功率激光器光束质量评估的问题，开展了高功率激光器光束质量测量的衰减缩束技术实验研究，搭建了缩束激光的波像差及光束质量测量装置，开展了缩束组件装调误差对光束质量影响的实验。实验结果表明，随着装调视场角度的增加，1/3倍缩束组件在1.2°视场处M²测量偏差小于5%。搭建了偏振分光装置，研究了衰减组件对光束稳定性的影响。实验结果表明，随机偏振的准单模激光器的稳定性比多模激光更易受到衰减组件退偏的影响。搭建了高反式与楔板式高功率激光光束质量测量装置，对1 kW准单模激光进行光束质量测量。实验结果表明，在高反式测量装置中，待测光束通过高反镜时产生了退偏，从而导致光束质量测量结果偏小，楔板式测量装置的测量结果更能准确反映待测光的光束质量。     

一种激光损伤阈值测试新方法

随着激光器朝向大功率、高能量的方向发展,激光损伤阈值成为了衡量光学元件抗激光损伤能力的重要参数之一,因此,能否准确地测量出光学元件的激光损伤阈值成为研究的重点。而光学元件激光损伤阈值测试的关键是能否准确地判别光学元件是否发生激光损伤。为解决目前常见的损伤判别方法存在的精度低、识别时间长、适用材料范围窄、操作复杂等不足,提出了一种新的激光损伤的判别方法,即等离子体诊断法。以K9玻璃为例,搭建激光损伤阈值的测试平台,利用光纤光谱仪采集强激光辐照K9玻璃时所产生的激光等离子体闪光光谱,并对该光谱进行诊断分析,将该光谱中是否含有待测试光学元件材料中特征元素的光谱峰作为其是否收到激光损伤的标准。同时,对K9玻璃进行了激光损伤阈值的测试,并将测试结果与等离子体闪光法和显微镜法所测的激光损伤阈值进行了对比分析。实验表明,提出的等离子体诊断方法的判别精度高、速度快、测试装置结构简单,易实现在线测量,可以大大地提高光学元件激光损伤阈值测试工作的效率。     

High-resolution liquid refractive-index sensor using reflective arrayed-waveguide grating

A high-resolution sensor for measuring the refractive index of liquids using a reflective arrayed-waveguide grating (AWG) is proposed. The refractive index of a liquid placed in the groove of the arrayed region is measured via the shift of the maximum intensity in the imaging plane of the AWG owing to the phase change in the region. The refractive index can be monitored in real time by measuring the power ratio between two output waveguides of the AWG with a narrow-band source. A mathematical model based on Fourier optics and wave optics is established. A fitting formula for the relationship between the power ratio and the refractive index of liquid is derived. The results of the study show that the proposed method can eliminate the effects of instability of the light source and the inner loss of the system and provide a refractive index resolution of 10⁻⁷.     

中等口径光斑激光预处理

介绍了一种基于中等口径光斑的新型激光预处理技术。采用基频最大输出10 J的Nd:YAG调Q激光器,获得了直径5 mm、能量密度满足预处理需求的中等口径光斑。较之于小光斑处理方案,采用中等光斑进行扫描,可以显著压缩大口径光学元件的预处理总耗时。为了验证效果,搭建了实验平台,在陪镀片上开展了光斑扫描与损伤阈值测量实验,设计了合理的中等光斑预处理流程,并对阈值提升效果进行了验证。在此基础上,开展了正式元件的预处理实验,采用大行程二维电动位移台,对430 mm430 mm口径的金属铪蒸发工艺高反膜元件进行了夹持和扫描。实验结果表明,经处理后的高反薄膜元件初步达到了27 J/cm2的阈值水平,证明了该技术对薄膜抗损伤能力的提升效果。     

Using coaxial reflectors to transform multiple axisymmetric beams

A coaxial reflective optical system (CROS) is proposed for improving the spot size and combined-distance of multiple axisymmetric beams. As a reflective shaping system, the CROS can be easily designed for this aim using the method of the matrix optics. A numerical simulation of the transformed beams is presented and analyzed. The results show that multiple axisymmetric beams can be transformed to a new form with a smaller spot size and longer combined distance using the CROS. The method we proposed is simple and effectual in material processing.     

A study on a fast measuring technique of wavefront using a Shack–Hartmann sensor

The measuring resolution and speed for wavefront are important to improve the performance of an adaptive optics system. In this paper, we propose a fast measuring technique with high resolution in the Shack–Hartmann wavefront sensor. The proposed measuring technique of wavefront combines the conventional center of mass algorithm with an estimated weighting factor. The estimated weighting factor is a real value anticipating the real center of mass in a wavefront spot image. This estimated weighting factor can be calculated at the initialization step of an adaptive optics system. We designed a robust adaptive optics system with this proposed measuring algorithm. The measuring accuracy and speed are investigated by using the proposed algorithm compared with the conventional center of mass algorithm in experiments.     

反射式光纤位移法检测轧辊磨损度中实用电路的设计

利用反射式光纤位移传感器的工作原理，通过对反射光强信号的检测，提出了一种用于轧辊磨损度在线非接触检测的光电检测法，并重点设计了用于反射式光纤位移法检测轧辊磨损度系统的实用电路。根据轧辊磨损度测量过程的特点及精度要求，阐述和分析了传感器电路系统的原理、组成及性能。理论和实验研究表明，该电路系统工作稳定，精确度和灵敏度均可满足实际要求。此电路系统稍加改进还可适用于类似条件下用反射式光纤位移法进行测量的其他系统。     

A novel long trace profiler for synchrotron radiation optics

Increasing demands for accuracy in manufacturing and utilizing optics in synchrotron radiation facility require more precise surface measuring techniques. A novel profilometer design for testing aspherical optical elements, especially the optics used in synchrotron radiation, is presented, in which a phase plate is introduced so as to generate a pattern on the detector that can be easily and accurately centered. Compared with conventional long trace profilers, the optical system of this novel design is simple, therefore its potential error sources are greatly reduced. The feasibility of the method is validated in theory and experiments with a newly developed prototype. Experimental results show that this prototype works well even under an opening operation environment without temperature control and air conditioning.     

频移分离型三维激光多普勒测速仪研究

研究一种采用频移分离方法的新型三维激光多普勒测速仪（３ＤＬＤＶ）。该仪器以单色Ｈｅ－Ｎｅ激光器和单只光电探测器并配合简单的光学发射和接收系统即实现了三维速度分量的同时测量。三个分量的速度信号由声光调制器引入的三种光学频移区分，通过电子滤波器完成信号的相互分离。在光学发射系统设计中采用独特的单轴四光束结构，通过光束组合形成三双光束差动模式的激光多普勒测速仪光。本文中还给出了该仪器的系统设计参数并分析     

Measurement of low retardation using reflective optical system based on the photoelastic principle

A new measuring technique that can measure retardation and can output magnitude and direction of plane stress in each glass of a panel composed of double transparent pieces of glass has been developed using reflective confocal optics. The linear polarized probe beam is incident to the glass and we can detect a reflected beam converted to orthogonal polarization caused by the photoelastic phenomenon. Using the high extinction ratio (10⁶) beam-displacing prism as a polarization discriminator, we can measure the photoelasticity by rotating the polarization of the probe beam from 0 to π rad without disturbing the optical axis. This system has the ability to measure retardation. The lowest one is estimated as nearly 0.066 nm for 700 μm thickness glass which corresponds to 0.03 MPa stress from our calibration line.     

高精度损伤阈值测量中测试口径效应研究

 随着光学元件损伤阈值测试研究工作的深入开展，有效、准确地测量和描绘它们的激光损伤阈值需要考虑多个因素。从不同口径的测试光束入手，采用R∶ 1测试方式，运用R∶ 1平均阈值的新概念，讨论了相同样品用不同测试口径测试其损伤阈值时，所得测试结果与测试口径的关系。研究表明，随着测试口径的增大，相同样品的损伤阈值逐渐减小，当测试口径增大到一定值时，损伤阈值趋于稳定。