重复频率HF激光脉冲能量稳定性的理论分析

研究了重复频率HF脉冲激光器的气体介质对激光输出能量稳定性的影响规律。计算结果表明,激光器放电区内SF_6的解离率约为1.5%(略高于实验测量值),工作气体介质的消耗速率为2.2×10~(15)(cm~(-3)·s~(-1)),但消耗量比气体的初始量小3～4个量级。通过合理控制激光器内HF的分子浓度,并适时补充激光器气体介质,可以提高激光器输出能量的稳定性。激光器输出能量变化分为过渡阶段和维持阶段,其中过渡阶段决定了重复频率工作模式下HF激光器的总体出光能力。计算结果可为重复频率非链式HF脉冲激光器设计提供技术支持。     

放电激励重复频率非链式HF激光器

 利用紫外预电离横向放电和气体循环结构建立了一套放电激励重复频率HF激光装置。研究了激光器工作介质SF6/C2H6混合气体放电特性和激光输出特性,获得激光器单次运行的最佳输出参数;通过对激光器重复频率运行时不同气体流速、充电电压与气体总压条件下的放电状态和输出能量的比较,分析了激光器重复频率稳定运行的必要条件。结果表明：所研制的激光器最大单脉冲能量0.6 J,峰值功率3 MW,电光转换效率2.4%;当混合气体工作介质以3.5 m/s的流速循环时,激光器稳定运行的最高工作频率可达50 Hz,脉冲输出能量稳定在0.26 J,平均功率达到13 W。     

非链式脉冲HF激光器激光介质净化技术

反应产物基态HF分子对激态HF分子的碰撞弛豫是导致非链式脉冲HF激光器激光能量快速下降的重要原因.为解决该问题,理论分析了3A型分子筛去除基态HF分子的可行性,并开展了实验研究.实验结果表明,在不采用任何激光介质净化技术情况下,激光器重复频率50 Hz出光20s的激光能量下降率高达52%,无法满足高功率重频HF/DF激光器的应用需求.在激光器循环管道中增加3A型分子筛吸附单元之后,激光器连续10余次重复频率50 Hz出光20s的激光能量下降率小于15%,其中首次出光能量下降率仅为7.2%,提高了激光能量稳定性且延长了激光介质使用寿命.3A型分子筛不仅对基态HF分子具有良好吸附效果,而且具有再生活化功能,有望取代非链式脉冲HF激光器激光介质净化技术中常用的化学吸附法.     

液冷薄片构型激光器及其热管理技术

为了解决增益介质的热效应问题,提出了一种浸没式构型液冷激光器方案,该构型激光器在10Hz重复抽运频率下,获得了615mJ的能量输出,光光转换效率为21%,斜率效率为23%.基于流体力学和热力学原理,建立了激光器增益区流场的热-流-固耦合模型,利用软件模拟和有限元分析法,研究了在不同流速、泵浦功率条件下,整个增益区的温度场、速度场的分布特性;并基于增益区温度场的分布,分析了液冷条件下通过增益区的激光波前畸变特性.结果表明,增益介质的最大光程差为0.7666λ,冷却液最大光程差为-4.7331λ,说明该构型激光器有着良好的热管理性能.     

波面热畸变自校正型板条增益介质的瞬态温度分布

提出一种新的激光增益介质板条抽运结构,这种结构能对由激光增益介质板条温度分布不均所造成的波面热畸变实现自校正,并建立了这种抽运结构下激光增益介质板条的瞬态温度分布理论模型,通过解热传导方程,推导出板条增益介质的瞬态温度分布的解析表达式。同时对抽运参量分别为抽运脉冲能量为5.8×104J、抽运重复频率为2Hz和抽运脉冲能量为3.2×104J、重复频率为10Hz两种情况下两种下N-31型钕玻璃板条的瞬态温度分布分别进行了数值计算,分别给出两种情况下10s内和60s时钕玻璃板条的温度分布图并对结果进行了分析和对比,表明采用这种抽运结构的增益介质板条激光器可以以类似热容激光器的方式在短时间内实现高平均功率、高光束质量运转。     

声光调Q的Nd:YVO4晶体1342 nm激光器

报道了采用光纤耦合激光二极管(LD)模块端面抽运Nd:YVO4晶体实现高功率、高重复频率声光调Q 1342 nm波长的激光输出,以及采用考虑增益频谱分布的调Q速率方程模型仿真研究该脉冲激光器的结果.在激光器注入总功率40 W的情况下,可得到最高工作重复频率100 kHz;在50 kHz重复频率工作条件下,可得到11.0 W的平均输出功率及稳定的脉冲输出.应用与介质增益频谱相关的调Q速率方程模型对该脉冲激光器进行了仿真研究,得到了脉冲宽度、脉冲峰值功率、脉冲建立时间等计算结果,还给出了输出在频谱上的分布以及谱宽,并与实验结果进行了比较.考虑增益频谱分布的调Q速率方程模型不仅可以应用于分析、设计脉冲激光器的频谱,而且由于考虑了增益在频谱上的实际分布,基于该模型的仿真计算可以获得比传统单频调Q速率方程更为接近实际的结果.     

LDA侧面Zigzag泵浦多边形薄片激光放大器模拟与实验研究

介绍了一种激光二极管叠阵（LDA）侧面Zigzag泵浦多边形薄片激光放大器构型，采用三维光线追迹方法进行了详细的模拟仿真，优化设计了此放大器系统的泵浦耦合结构，主要研究了多边形增益介质的掺杂离子浓度与侧面切角对介质内部泵浦光分布的影响。在晶体厚度1.5 mm、端面口径16 mm的条件下，侧面切角在35°～65°，Nd3+掺杂浓度为0.20 at.%～0.30 at.%时，模拟仿真中Nd:YAG多边形薄片对泵浦光的吸收分布较均匀，泵浦光分布均匀性均优于0.1，同时在实验中得到了平顶的荧光分布和增益分布。介质内储能的均匀平顶分布有利于实现高功率高光束质量的激光输出，为侧面Zigzag泵浦多边形薄片激光器系统的设计与进一步实验提供了重要参考。     

基于增益负反馈的COIL自脉冲方法

针对超音速化学氧碘激光器增益介质的横流特性,设计了具有增益负反馈的光学谐振腔结构,通过化学反应的超音速流场和光场的耦合仿真,根据具体的激光器运行参数,论证了这种结构实现自脉冲激光的可行性。结果表明:振荡激光在增益区上游放大次数越多,对上游增益介质能量提取能力越强,脉冲调制作用越显著。采用激光光斑缩束再放大的结构设计,脉冲激光的峰值功率提高10~20倍,从理论上证明了增益负反馈的调制方法能够实现横流激光器脉冲激光输出。     

快速测量HF激光器光腔介质的转动温度分布

用光学多通道分析器测量连续波HF化学激光器增益介质中HF(v=4→0)跃迁的荧光光谱空间分布,可快速测定增益介质的转动温度空间分布。测量的空间分辨率△x·△y=2.5×10mm。文中较为详细地讨论了探测器响应的不均匀性带来的误差。测量结果误差为±30K。     

基于相位采样光栅的双波长光纤激光器

提出一种基于相位采样的分布反馈式双波长光纤激光器,在不同的空间化置同时引入相位和采样周期的突变.通过理论分析,这种结构能够实现谐振腔的分离,使不同波长的光波利用不同空间位置的增益介质,克服增益介质均匀加宽引起的模式竞争,实现双波长激射.采用准分子激光器和均匀相位模板,在掺铒光纤上制作波长差为0.46 nm的舣波长光纤激光器,能够实现舣波长激射.通过实验,对激光器输出功率和光栅强度的关系进行研究,表明输出功率和光栅强度成反比.     

放电引发的非链式高功率重复频率HF/DF激光器

高功率重频HF/DF激光因其具有的波长和功率优势成为当前中红外激光技术发展的热点之一。介绍了利用紫外预电离横向放电结构和工作气体循环系统建立的放电引发高功率重频HF/DF激光装置。在对激光工作介质SF6/C2H6混合气体放电特性和激光输出特性研究的基础上,开展了强电负性气体的重频均匀体放电技术和气体快速循环置换技术研究,解决了泵浦源重频放电能量在气体介质中的有效沉积和提取问题,实现了激光器50Hz的重频稳定运行和能量稳定输出,HF激光的平均功率达到28W,脉宽100ns,峰值功率5.6 MW。     

超音速氮稀释连续波HF化学激光器小信号增益测量

 以氮为稀释剂的电激励连续波HF/DF化学激光器可以使用低温吸附泵代替传统的机械真空泵和洗消装置,大幅度降低激光器的系统体积和重量。使用小信号增益测量系统对某超音速氮稀释电激励连续波HF化学激光器的增益分布进行了测量。得到了在4种不同激光功率下P₁(4),P₁(6), P₂(4)～P₂(6)谱线的增益系数分布曲线。测得P2(4)为最强增益谱线,最大值为0.1 cm^-1;最强增益位置与最佳光轴位置相符;超音速气流使增益区延伸达2.5 cm。     

一种螺旋型Blumlein线的阻抗特性分析

提出了一种结构紧凑的长脉冲发生器,该发生器的螺旋型Blumlein线由内导体（含磁体）、螺旋型中筒和外导体（含磁体）构成,该结构实现了螺旋型Blumlein线和Tesla变压器的一体化。通过对螺旋型Blumlein线的波传输过程分析,给出了慢波系数、开关闭合电流、用于描述形成线闭合开关处界面上波行为的变量因子等参数的计算公式。采用PIC软件对螺旋型Blumlein线的部分波传输过程进行数值模拟,慢波系数等参数的模拟值与计算值基本相符。进行了恒阻抗负载下螺旋型Blumlein线的原理性实验,实验得到的负载波形与编程计算得到的波形基本吻合。     

非链式HF激光器能量稳定性影响因素实验研究

为提高非链式电激励脉冲HF激光的能量稳定性,分析了激光产生反应动力学和影响激光能量稳定性的主要因素,得知基态HF分子的生成、工作气体的温度上升以及工作气体C2H6的消耗是激光能量快速下降的主要原因。经实验研究,没有采用任何反应产物去除方法的情况下,激光器输出1600个脉冲激光后,激光能量下降率达31%,采用沸石分子筛吸附单元对基态HF分子进行吸附后,同样输出1600个脉冲激光,激光能量基本趋于平稳状态,且输出约5500个脉冲激光后,激光能量较初始平均值仅有10%的下降;另外,在激光器运行过程中,恢复工作气体的初始温度和补充少量的C2H6也能改善激光能量的稳定性,其中补充25%的C2H6气体可使激光能量提高近8%。由激光产生反应动力学和实验研究结果可知,增加分子筛吸附单元、工作气体温控单元和工作气体实时补给单元可提高激光能量的稳定性。     

Lateral Current Injection (LCI) Multiple Quantum-Well 1.55 μm Laser with Improved Gain Uniformity Across the Active Region

A simulation study of lateral current injection 1.55 m laser with strain-compensated multiple quantum-well (MQW) active region (InGaAsP well, InGaAlAs barrier) is presented using self-consistent 2D numerical simulations. The effects of different mesa width and p-doping in the QWs on the carrier and gain uniformity across the active region are explored. A high p-doping in the quantum wells is found to increases the carrier and gain non-uniformity across the active region. The QW region close to the n-contact side does not provide much gain at high optical powers. An asymmetric optical waveguide design is proposed to help reduce the gain non-uniformity across the active region. By shifting the optical modal peak toward the p-side, the modal overlap between the gain region and the optical mode is improved and a more even carrier and gain distribution is obtained. However, due to reduced bandgap of the quaternary InGaAsP p-cladding, an enhanced electron leakage out of the QWs into the p-cladding degrades the laser efficiency and increases the threshold current. Transient time–domain simulations are also performed to determine the small-signal modulation response of the laser promising a simulated high modulation bandwidth suitable for direct-modulation applications.     

低增益准分子激光最佳透射率的研究

对于激光系统性能而言,谐振腔最佳透射率具有非常重要的作用。低增益、宽带脉冲准分子激光的最佳透射率条件与其激光抽运脉冲引起的增益脉宽有密切关系。提出了在激光四能级系统速率方程的基础上模拟低增益准分子激光的跃迁行为。并利用合理的近似,研究低增益脉冲准分子激光谐振腔的最佳透射率。给出了其在不同增益脉宽情况下统一的最佳透射率条件,并分析了以小信号增益系数为函数的最佳透射率变化规律。所得到的结论为：低增益、宽带脉冲准分子激光的最佳透射率情况和连续激光器有所不同。而是取决于增益脉宽和光子寿命之间的关系。上述结论得到了相应实验研究结果的证实。     

Efficiency of an electron-beam-pumped chemical laser with an SF6-H2 working mixture

Results are presented from a study of HF lasers pumped by non-chain chemical reactions initiated by a radially convergent and by a planar electron beam. The main channels of formation of vibrationally excited HF molecules are analyzed. The distribution of the energy density of the radiation in the output beam of a wide-aperture laser is measured. In 30 liters of a mixture of SF₆:H₂=8:1 at a pressure of 1.1 atm an output energy of ∼200 J is obtained at an ∼11% efficiency with respect to the energy deposition. It is shown that the admixture of a buffer gas of neon or argon improves the uniformity of the radiation energy distribution in the output beam of an HF laser pumped by a non-chain chemical reaction and initiated by an electron beam, and it also increases the output energy. Zh. Tekh. Fiz. 69, 76–81 (January 1999)     

高功率二极管列阵泵浦固体激光泵浦耦合优化设计

 高功率二极管阵列泵浦固体激光系统的核心在于泵浦耦合技术,泵浦耦合直接决定了系统的成本、增益能力、增益均匀性、泵浦引发动态波前畸变和泵浦引发动态光束漂移等关键问题。通过对用于高功率二极管列阵泵浦固体激光系统泵浦耦合优化设计的3维光线追迹方法的研究,从二极管发光远场属性出发,建立其理论计算模型,对高功率激光二极管阵列端面泵浦大口径放大器的一种新型耦合方式——二极管列阵拟球面排列、空心镀银导管耦合进行了优化设计,并开展了泵浦耦合效率、泵浦场均匀性、泵浦场传输性等实验研究,实现了72%耦合效率、5 mm内80%传输效率的均匀平顶泵浦耦合场输出,理论计算与实验结果符合较好。     

Numerical analysis of spatial evolution of the small signal gain in a chemical oxygen–iodine laser operating without primary buffer gas

A chemical oxygen–iodine laser (COIL) that operates without primary buffer gas has become a new way of facilitating the compact integration of laser systems. To clarify the properties of spatial gain distribution, three-dimensional (3-D) computational fluid dynamics (CFD) technology was used to study the mixing and reactive flow in a COIL nozzle with an interleaving jet configuration in the supersonic section. The results show that the molecular iodine fraction in the secondary flow has a notable effect on the spatial distribution of the small signal gain. The rich iodine condition produces some negative gain regions along the jet trajectory, while the lean iodine condition slows down the development of the gain in the streamwise direction. It is also found that the new configuration of an interleaving jet helps form a reasonable gain field under appropriate operation conditions.     

Enhancement of pulsed laser ablation assisted with continuous wave laser irradiation

Continuous wave(CW) laser irradiation is employed to enhance the pulsed laser ablation of silicon and stainless steel(316 L)samples. Different surface temperatures generated by the CW laser irradiation are set as the initial working circumstance for the pulsed laser ablation. The diameter and depth of laser-ablated craters are measured to study threshold fluence, pulse incubation coefficient and ablation rate under different surface temperatures. Numerical simulation employing Heat Transfer in Solid and Deformed Geometry Interface modules in COMSOL is performed to estimate ablation rate theoretically based on Hertz-Knudsen equation. The realized crater-related data are analyzed to further obtain their dependences on surface temperature. The parametric and morphological studies indicate that the weakened plasma shielding effect and thermal diffusion in the ablated region induced by the CW laser irradiation lead to the enhanced pulsed laser ablation significantly.