高能光纤激光经准直系统后的光束质量研究

应用光线光学的理论,对透镜的几何像差、热非线性等因素对光纤激光光束质量的影响进行了分析和计算,给出了激光通过多透镜光学系统后,光束质量参数M²与系统参数的一般关系. 研究了高能光纤激光通过准直系统后的光束质量. 研究结果表明,随着激光功率的增大,经准直系统后光束的光束质量存在最佳值,其对应的激光功率与准直系统参数有关,为高能光纤激光准直系统的设计提供了参考. 关键词： 高能光纤激光 光束质量 准直系统 光线光学     

基于标量衍射理论下的球面折射微透镜对高斯光束的准直研究

本文应用瑞利-索末菲标量衍射理论分析了具有球面轮廓的折射微透镜对激光器输出高斯光束的准直特性.数值结果显示,在最佳准直条件下,高斯光束经过球面折射微透镜准直后的传输是一个振荡过程;同时,如果不考虑微透镜的衍射效率,当球面折射微透镜的F数越大,高斯光束经过准直变换后的远场发散角越小.     

高斯光束准直倍率的研究及再讨论

基于高斯光束q参数变换理论严格推导出倒置望远系统对高斯光束的准直倍率,结果表明,在不考虑透镜遮挡条件下,倒置望远系统对高斯光束的准直倍率仅与几何压缩比有关,与高斯光束的束腰半径及物距无关。进一步研究发现,在适当的近似前提下,本文推导结果可与激光原理教材中的相关推导获得统一。对本文算法进行仿真,结果显示,在满足激光原理教材讨论的条件下,本文得到的准直倍率与其所得结果相一致。本文所得高斯光束经倒置望远系统的准直倍率可以为相关科研与工程实践活动中的准直操作部分提供更准确的参考。     

激光光束准直器与耦合器的设计方法研究

利用凸透镜、凹透镜以及透镜的组合来完成特定要求的激光准直和耦合的设计方案。同时,选取两种准直参数和两种耦合参数为例验证了设计方案的可行性。为下一步激光光束的准直和耦合系统设计的实际应用奠定了基础。     

衍射极限非球面准直透镜

介绍了一种新的非球面透镜设计方法。通过非球面方程中二次曲面常数和非球面系数对光学系统像差的贡献来设计非球面透镜,并详细分析了非球面设计过程。设计了数值孔径NA=0.37, 纤芯Φ=600μm的大光束光纤耦合半导体激光器的非球面准直透镜,其焦距f=50mm。从像质评定可以看出, 非球面准直镜几乎接近衍射极限, 整个系统的波像差小于0.3λ。实验表明： 采用非球面准直系统能最大限度地利用光能率和提高光束准直性, 证明了设计方法基本正确。     

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%。     

半导体激光器堆栈填充因子对慢轴光束准直的影响

为实现基于微透镜阵列的高功率半导体激光器堆栈光束整形,对带有快轴准直透镜的高功率半导体激光器堆栈慢轴光束准直技术进行研究。在慢轴光束准直理论分析基础上,着重研究了慢轴填充因子对其光束准直的影响,并对不同填充因子的半导体激光器慢轴光束准直方案进行了分析。针对实际使用的填充因子0.5的高功率半导体激光器堆栈采用以Bar条为单元进行整体准直设计,并采用基于空间扫描法的发散角测试装置对慢轴准直后剩余发散角进行测试,实现准直后剩余发散角半角2.12°,实验表明该准直方法的有效性。     

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。     

激光器件 其他

TH741 2006064975双半圆柱透镜准直半导体激光光束=Double half-cylindri- cal lens collimated beam of laser diode[刊,中]/马华(西安电子科技大学技术物理学院．陕西,西安(710071)),曾晓东…//中国激光．—2006,33(7)．—937—940提出一种新的柱透镜结构：双半圆柱透镜(DHCL)。基于光线传输理论,导出该结构柱透镜准直激光光束的基本公式并给出数值模拟的结果。理论分析和数值模拟均表明,在用于准直半导体激光器输出光束方面,双半圆柱透镜突破了普通圆柱透镜在最佳准直时对透镜材料折射率的限制,提高了结构设计和材料选择的灵活性；特别是     

LD快轴准直柱透镜多参数加工公差分析理论

为了实现半导体激光器快轴准直柱透镜加工公差的快速、准确制定,在快轴光束准直理论分析的基础上,采用几何光学的方法建立了多参数加工公差理论模型。该模型以各个结构参数的极限偏差值作为公差初始值,以实际的加工精度作为边界条件,并根据具体的准直设计要求进行优化,实现各个参数公差的合理、快速分配。针对常见的TO-MOUNT型号中的一款快轴发散角为36°的半导体激光器设计了快轴准直柱透镜,利用该理论模型实现快轴准直柱透镜加工公差的快速制定,引入该公差后的ZEMAX仿真结果符合准直设计要求,且仿真的出射光束发散角与理论计算结果仅有1.1%的误差。     

激光引信中半导体激光器的准直及其测试

在理论上分析了单级单透镜光学系统对激光高斯光束发散角的影响。用单个平凸透镜对激光引信中的半导体激光器进行了准直，达到了激光引信光束准直的要求。通过CCD成像方法对准直后的光束发散角进行了测量，利用二阶矩算法计算出光束发散角。实验测得2个方向的发散角分别为θx=7.03°和θy=0.69°，验证了准直系统达到激光引信要求的θx＜10°和θy＜1°技术指标。     

体布拉格光栅外腔半导体激光器的光栅旋转角度容差

采用步进电机控制光栅角度,对200 m和600 m圆柱透镜准直的体布拉格光栅（VBG）外腔单管C封装半导体激光器进行了系统研究。实验结果表明:激光二极管（LD）驱动电流越大,准直效果越好,VBG的角度调整容差越小;快轴方向的准直效果越好,慢轴方向的光栅调节角度容差越大;对于衍射效率28%、厚1.4 mm的光栅,LD快轴发散角为7.3 mrad时,快轴方向的角度容差不大于3.2 mrad,慢轴方向的角度容差较快轴大约一个数量级。     

高功率高效率光纤耦合半导体激光模块研制

采用光束整形和空间合束的方法,研制出高功率、高效率多阵列光纤耦合半导体激光模块。将波长为976nm连续工作的5个标准半导体阵列,通过对快轴进行准直和快慢轴光束旋转的方式进行光束整形,准直后进行空间合束,经耦合透镜聚焦,耦合入芯径400μm、数值孔径0.22的光纤。测量结果显示:光纤的出光功率最大可达到327 W,光纤耦合效率大于93.6%。     

准直系统热光学效应对静态傅里叶变换红外光谱仪光谱复原的影响研究

在以多级微反射镜为核心器件的静态傅里叶变换红外光谱仪中, 由于准直系统距离红外光源较近, 光源的热辐射会导致其局部温度升高, 从而引起材料折射率发生改变, 使得由准直系统出射的光束存在一定的发散角, 进而影响光谱仪系统复原光谱所能达到的分辨率水平. 本文研究了光谱仪系统正常工作状态下准直系统各区域的温度分布情况, 由此计算出了相应的离焦量. 通过计算准直光束发散角在光程差采样区域内的分布, 分析了由此引入的附加光程差对光谱复原的影响. 通过计算光谱结构误差随准直系统温度的变化, 得到了准直系统温度控制的合理范围. 最后, 对基于SiC光源的光谱仪进行了实验, 结果显示制冷光源复原光谱的光谱结构误差与非制冷光源的光谱结构误差相比有明显改善. 因此, 降低光源温度对减小准直系统热光学效应的影响是非常有效的. 本文的研究结果将为解决同类问题提供参考.     

准单色近平行光束的X射线源

针对准单色近平行光束X射线背光成像诊断需求,提出了一种用球面弯晶进行X射线衍射选单从而获取准直光束的新方案.在神光Ⅱ装置上,设计了基于球面弯晶X射线衍射选单准直光束系统,完成了该系统的安装、调试和实验应用,获得了准单色(10~(-3)△λ/λ10~(-2))、小发散角(2 mrad)和大辐照匀斑(直径φ500 m)的X射线光源.同时基于衍射光学和球面镜成像理论,研究了不同布拉格角对球面弯晶X射线衍射光束发散角及其像散差的影响.结果表明,布拉格角会影响球面弯晶X射线衍射光束的发散角.用控制布拉格角范围的方法有望获得发散角优于1 mrad的近平行光束X射线光源.这种准单色、极小发散度和均匀角分布的X射线光源可应用于高分辨X射线成像诊断.     

冷却储存环主环磁铁的准直测量

采用激光跟踪仪及配套带软件Insight对兰州重离子加速器冷却储存环主环磁铁进行了安装和准直。首先建立全局坐标系，用来确定从源体到实验环各子系统的理论原点的位置；而各个子系统又分别以各自的理论原点为基础建立局部坐标系，用来安装定位本系统内的各个元件；对各个子系统中的每一个元件还采用了元件坐标系。准直测量时，先在每块磁铁上焊接8个测量基准；然后对磁铁上的基准进行测量，以确定其在元件坐标系中的位置；再架设激光跟踪仪，测量主环控制网点，恢复主环局部坐标系，根据元件在主环局部坐标系中的位置及理论坐标，计算出相关的变换参数；转入元件坐标系，采用激光跟踪仪及Insight 软件显示实时测量坐标及其与理论值之差，其精度达到0.15 mm。     

Collimation testing using a circular Dammann grating

A novel technique for collimation testing with a circular Dammann grating is proposed. When the beam under test is incident on a one-order circular Dammann grating with limited aperture, double-humped radial rings will be generated at the back focal plane of a focusing lens. If the beam is collimated, the separation between the two rings will reach its minimal, otherwise the two rings will be apart from each other. Therefore, the degree of collimation of the tested beam can be estimated from the separation. The principle and experimental results of the method are presented. Owing to the simplicity and low cost of the method, it is a promising method for quickly checking the collimation of a laser beam.     

LED阵列光源的舞台灯变焦透镜系统

 针对国内大功率LED阵列光源舞台灯具在光束角度不可变和光能利用效率低等问题,提出利用透镜组变焦原理来设计阵列光源变焦透镜系统。基于透镜组变焦原理设计了单颗LED光源的变焦透镜组,高级光学系统分析模拟软件ASAP的计算结果显示：调焦范围为0~10 mm时,出光角度（1/10峰值角）的变化范围为18.5°~38.7°,光能利用效率在调焦距离为10 mm时达到78%以上。在此基础上,将单颗LED光源的变焦透镜组扩展为Red、Green、Blue各12颗共36颗LED的变焦透镜系统,进一步分析36颗LED阵列光源在不同排布方式下的出光角度及混色效果。ASAP计算结果显示：在调焦范围与单颗LED相同的情况下,LED阵列光源变焦透镜系统的出光角度（1/10峰值角）的变化范围为21°~38.6°,且3种颜色LED交叉排列的混色效果较好。由LED阵列的计算结果可知,与国内现有的大功率LED舞台灯具相比,在出光角度的变化范围和光能利用效率方面都得到了提高。