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。     

声光调Q CO2激光器的输出特性

采用谐振腔内插入声光调制器（AOM）的方法获得了小型CO2激光器的高重频、窄脉宽、高峰值功率输出。通过分析CO2激光器声光调Q的工作原理,利用基于小信号增益和饱和光强的耦合输出数学模型给出了激光器最佳输出镜透过率的数值解,并运用相关实验装置对该数学模型进行了实验验证。理论分析和实验结果均表明：该声光调Q CO2激光器的最佳输出镜透过率为39%。研究了激光器输出性能随脉冲重复频率的变化规律,当脉冲重复频率〉1 kHz时,激光器输出峰值功率下降,这与CO2分子上能级寿命有关,并受声光调Q开关热效应的影响。实验中获得的激光器脉冲频率在1 Hz～100 kHz可调。在脉冲频率为1 kHz时,获得的激光脉冲宽度为156 ns,脉冲峰值功率为10 kW,且稳定性较好,非常适合于作激光与物质相互作用的光源。     

神光-III激光装置时标激光和任意反射面速度干涉仪探针光源产生技术

在惯性约束聚变研究中, 时标激光是对物理诊断数据进行分析的重要时间标尺, 而任意反射面速度干涉仪(VISAR)光源则是冲击波精密诊断必不可少的探针光源. 通过对物理需求的分析, 提出对时标激光与VISAR光源共用脉冲产生单元, 采用时分复用技术实现二者在同一台幅度调制器上的精密整形, 经1×2分束后再通过声光开关进行选择输出, 从而降低了系统造价, 便于集中控制. 采用了脉冲稳偏、高稳定空间放大、高精度温控谐波转换技术及可快速插拔精密复位的光纤耦合和传能技术, 实现了时标和VISAR光源脉冲的高稳定输出. 研制的时标激光系统可产生与主激光高精度同步的12路二倍频、4路三倍频时标信号, 为神光-III激光装置物理实验提供了重要的时间基准. 产生的VISAR光源脉冲在经过光纤系统和Nd: YAG棒状放大器后, 通过温控LBO晶体倍频, 然后经1 mm芯径的多模传能光纤传输至成像型VISAR系统, 为物理实验提供了单纵模、高亮度、可精密整形的脉冲激光. 系统已用于VISAR诊断物理实验, 获得了完整的冲击加载、减速的图像, 从而为冲击波调速及相关高压物理实验提供了可靠的技术手段.     

高频激光脉宽对原子光电子发射谱的影响

采用广义含时伪谱方法数值求解原子在激光脉冲作用下的动量空间含时薛定谔方程,研究了高频激光脉宽对原子光电子发射谱的影响.数值模拟表明,随着激光脉冲宽度的增加,光电子谱干涉结构的振荡幅值逐渐减小,其最大峰值的强度和位置取决于产生有效电离的最大即时强度.通过分析光电子谱的变化规律能进一步加深对高频强场电离产生的动力学干涉效应的理解.     

多束高重复频率全光纤激光脉冲时间波形实时精密测量技术

提出了一种基于时分复用的多束高重复频率全光纤激光脉冲时间波形实时精密测量技术,针对分类成组的多束高重复频率全光纤激光系统不同测量功能需求,分别设计了1×8时分复用器、不同延时量的1×2时分复用器,实现了48路、144个1kHz光纤激光整形脉冲时间波形宽度、上升沿、面积等关键参数的精密测量,同时实现了多束高重复频率全光纤脉冲激光系统运行状态的实时监测。     

High repetition rate spiker-sustainer XeCl laser

An X-ray preionized spiker-sustainer XeCl-excimer laser operating at high repetition frequency (1000 Hz) and 220 W of average laser power is demonstrated. The pulse energy and the pulse duration (160 ns) are virtually independent of the repetition frequency. Comparison with aC-L-C circuit shows superior properties of spiker-sustainer excitation for high-frequency operation. Furthermore, a variation of the overshoot mode is proposed.     

1.8 mJ高倍率Nd:YAG板条皮秒激光放大器

设计了一种高倍率的固体皮秒脉冲激光放大器,采用Nd:YAG板条作为激光增益介质。借助板条结构的角度选通结构,搭建了板条五通放大系统,实现了对注入皮秒脉冲激光的高倍率放大。种子源工作在脉冲模式,放大器泵浦源在连续模式工作。皮秒光纤激光器可以在不同的重复频率下工作,脉冲宽度为13.4 ps。种子光经过隔离和耦合系统之后,注入板条的单脉冲能量为25 nJ。当种子源工作重复频率为24.46 MHz时,板条放大器输出平均功率377 W,单脉冲能量15.5 μJ;当种子源工作重复频率为49.8 kHz时,板条放大器输出平均功率89 W,单脉冲能量1.8 mJ,峰值功率为134 MW,放大倍率达到7.2×104。     

不同脉冲宽度355 nm波长激光诱导DKDP晶体损伤特性

研究了用于三倍混频的Ⅱ类DKDP晶体在35 ps,850 ps和7.6 ns三种不同脉宽355 nm波长激光作用下的损伤特性。实验对比分析了损伤阈值、概率和损伤针点形貌、尺寸和密度,并根据损伤阈值及概率得到前驱体阈值及密度。结果表明,前驱体的激光能量吸收量与脉宽线性相关。35 ps激光作用下DKDP有一种前驱体吸收激光能量形成熔融状损伤针点。850 ps激光作用下有两种前驱体吸收激光能量并产生力学破坏形成中心熔融四周断裂的损伤针点。7.6 ns激光作用下只有一种前驱体吸收激光能量,并且形成的损伤针点与850 ps对应的损伤针点有相同特征。     

Tm,Ho双掺调Q激光系统理论与实验研究

本文针对Tm,Ho双掺的激光系统,利用速率方程理论,得出了激光各能级的反转粒子数分布规律.通过计算预测出了超过1 ms的时间有巨脉冲的光子输出,脉冲能量为88.4 mJ,脉冲宽度为426 ns.实验采用环形腔声光调Q,Tm,Ho:LuLF为激光介质,三向侧面抽运.自由运转和调Q状态的斜率效率分别为6.36%和2.9%.注入能量3.25 J时,自由运转激光能量103.2 mJ,调Q激光能量为30.3 mJ,对应光-光效率为3.17%,0.93%;注入能量3.5 J时,自由运转激光能量为129.3 mJ,调Q激光能量35.9 mJ,对应光-光效率为3.69%,1.02%.最大的动静比为32.8%.激光脉冲宽度为417.2 ns.如果环形腔能够单向运转,那么得到的激光能量和光-光转换效率都将增大一倍,与预测结果更加一致.     

Laser diode pumped high-energy single-frequency Er:YAG laser with hundreds of nanoseconds pulse duration

We demonstrated a high-energy single-frequency erbium-doped yttrium aluminum garnet(Er:YAG)laser.With1470 nm laser diodes(LDs)as pumping sources,single-frequency laser pulses with energy of 28.6 m J,21.6 m J,and 15.0 m J are obtained at pulse repetition frequency of 200 Hz,300 Hz,and 500 Hz,respectively.As far as we know,this is the highest single-frequency pulse energy with the Er:YAG gain medium.With the ring cavity design,pulse duration is maintained at hundreds of nanoseconds.This high-energy single-frequency laser with hundreds of nanoseconds pulse duration is a prospective laser source for light detection and ranging applications.     

用于激光推进的高功率激光器的选择

 从激光推进的要求出发，阐述了用于激光推进的高功率激光器的选择原则，即激光器必须满足：（1）高的平均功率和峰值功率；（2）高的单脉冲能量；（3）高的重复频率；（4）优良的大气传输特性。主要分析了目前YAG固体激光器、自由电子激光器和TEA脉冲CO₂激光器的特点，通过上述4个方面性能的比较，认为在目前水平下，TEA脉冲CO₂激光器是进行激光推进的首选强激光源，其优点表现在：功率可达10kW量级，单脉冲能量可达0.5~1kJ，重复频率为20~40Hz；激光波长处于大气传输窗口，对大气变化不敏感；工作物质快速流动，不存在热透镜效应和破坏阈值；相关光学元件易于制造；光束质量较好；运行成本低。     

High power tunable picosecond green laser pulse generation by frequency doubling of an Yb-doped fiber power amplifier seeded by a gain switch laser diode

A compact tunable high power picosecond green laser pulse source based on frequency doubling of an Yb-doped fiber amplifier seeded by a gain switch laser diode has been developed. The fiber amplifier generates the picosecond infrared pulses with average power of 10.3 W, repetition rate of 1 MHz, pulse duration of 150 ps, and tunable range of 20 nm around 1064 nm. For underwater use, the tunable output infrared pulses are frequency doubled into picosecond green laser pulses, which can be tuned from 527 to 537 nm with average power of more than 1.1 W, corresponding to an overall conversion efficiency of 10.7% by a BBO nonlinear crystal. This kind of laser source will have potential application for underwater optical communication.     

电光调Q脉冲Ho:YLF激光器实验研究

2μm低重复频率高峰值功率高光束质量激光在中长波光参量非线性频率变换等领域具有较为广阔的应用前景。采用L型谐振腔结构,使用42 W的掺Tm光纤激光器泵浦Ho:YLF晶体。基于磷酸钛氧铷（RTP）电光调Q技术,实现了重复频率50 Hz、脉冲宽度18 ns、脉冲能量13.5 mJ、峰值功率0.75 MW的2.05μm Ho:YLF固体激光输出。光束的水平方向和竖直方向M2因子分别为1.4和1.1。该Ho:YLF固体激光器采用光纤激光器泵浦,具有结构紧凑的特点,为更高能量的Ho激光输出奠定了基础。     

Wavelength tunable,high energy femtosecond laser pulses directly generated from large-mode-area photonic crystal fiber

Wavelength tunable high energy ultrashort laser pulses are generated from a large-mode-area photonic crystal fiber in anomalous dispersion (AD) regime. A simplified laser cavity design with one fine polished facet of the fiber as a cavity mirror is used. The intra-cavity dispersion compensation is achieved by a grating pair, the spatial dispersed light from which also have optical spectrum filtering effects combined with the limited aperture of the fiber core. The laser system is able to generate ultrashort pulses ranging from 494 fs (with 56 nJ pulse energy) to 1.24 ps (with 49 nJ pulse energy) at 55 MHz repetition rate. The filtering mechanism benefits the generation of high energy pulses with narrowing pulse duration in AD regime. An undulation in frequency and time domain is also observed with the increase of the pump power. Furthermore, this laser system is directly used as seed for supercontinuum generation.     

紫外超短脉冲激光放大过程中脉宽压缩的方案设计

采用放电泵浦KrF准分子激光放大器放大波长为248.4nm的紫外超短脉冲激光。对于能量为0.7mJ、脉宽为550fs的输入脉冲,在光束直径保持10mm不变的条件下,能量放大到15mJ,脉宽展宽到1200fs。为了压缩输出脉冲宽度,分析了群速度色散和自相位调制效应对脉宽展宽的影响。利用棱镜对,采用4种不同的实验方案对脉冲引入负的线性频率啁啾,以补偿KrF准分子激光放大器CaF2窗镜中的群速度色散和自相位调制对脉冲引入的正的线性频率啁啾。结果表明:在放大器之前放置棱镜对的方式可以在保持输出脉冲能量为15mJ的同时,在棱镜对间距为110cm的条件下,将输出脉冲宽度压缩到370fs,输出波长为248.4nm、带宽为0.4nm。     

Surface morphology of laser tracks used for forming the non-smooth biomimetic unit of 3Cr2W8V steel under different processing parameters

Aiming to form the high quality of non-smooth biomimetic unit, the influence of laser processing parameters (pulse energy, pulse duration, frequency and scanning speed in the present work) on the surface morphology of scanned tracks was studied based on the 3Cr2W8V die steel. The evolution of the surface morphology was explained according to the degree of melting and vaporization of surface material, and the trend of mean surface roughness and maximum peak-to-valley height. Cross-section morphology revealed the significant microstructural characteristic of the laser-treated zone used for forming the functional zone on the biomimetic surface. Results showed that the combination of pulse energy and pulse duration plays a major role in determining the local height difference on the irradiated surface and the occurrence of melting or vaporization. While frequency and scanning speed have a minor effect on the change of the surface morphology, acting mainly by the different overlapping amount and overlapping mode. The mechanisms behind these influences were discussed, and schematic drawings were introduced to describe the mechanisms.     

宽温度范围微型人眼安全激光器

报道了一种宽温度适应范围的微型化人眼安全激光器。采用中心波长940nm的二极管作为泵浦源,Er3+/Yb3+共掺磷酸盐玻璃作为增益介质,Co2+:MgAl2O4作为被动调Q晶体,研究了微型激光器的结构和激光在宽温度范围下的输出特性。当泵浦能量9mJ,重复频率10Hz,泵浦脉宽5ms时,获得了单脉冲能量130μJ,脉宽5.5ns,峰值功率大于20kW的激光输出,光束质量因子为1.3。采用真空封装工艺,在-40~50℃温度范围内,自然冷却方式下激光器稳定输出,功率不稳定性波动小于5%。     

采用多通腔望远镜谐振腔结构的10MHz重复频率飞秒钛宝石激光器特性研究

通过在钛宝石激光腔内引入望远镜长腔系统增加腔长,实现了重复频率低到10?MHz的飞秒激光振荡,在5?W的抽运功率下获得了平均输出功率200?mW、单脉冲能量20?nJ的稳定输出. 在此基础上分析了腔内不同色散情况下的输出脉冲光谱和脉宽特性,结果表明在腔内存在一定负色散的情况下,锁模脉宽可接近转换极限,最短脉宽可达56?fs. 而在正色散的情况下,锁模输出的脉宽较宽,并且随着腔内正色散的增多,脉宽可到大于600?fs,锁模光谱也呈马鞍形. 关键词： 钛宝石激光器 飞秒脉冲 低重复频率 望远镜腔     

等离子体密度对激光拉曼放大机理的影响

等离子体中的背向拉曼散射机理可以用来产生超短超强的激光脉冲. 本文采用粒子模拟方法模拟研究了等离子体密度对激光拉曼放大过程的影响. 研究发现, 过低的等离子体密度会导致等离子体波提前波破而降低能量转换效率; 而过高的等离子体密度又会导致其他不稳定性的快速增长, 限制作用距离和输出能量. 因此, 拉曼放大机理的最佳等离子体密度应处于等离子体波破的密度阈值附近, 可以获得最高的能量转换效率和能量输出. 另外, 空间频谱分析显示放大激光的强度饱和主要来自于自相位调制不稳定性的发展. 利用10¹³ W·cm^-2的抽运激光脉冲, 模拟证实拉曼放大机理可有效地将种子激光的强度从10¹³ W·cm^-2 放大到10¹⁷ W·cm^-2, 脉宽压缩到40 fs, 且能量转换效率达到58%.     

激光冲击强化激光器的研制

针对近年来发展的激光冲击强化技术,采用1级谐振8级放大的系统结构和模块化设计方法,研制出了激光冲击强化用短脉宽、大能量的Nd:YAG脉冲激光器,并对激光器技术指标进行了测试分析。在预热20 min后、环境温度变化小于2 ℃的情况下,单脉冲最大输出能量高达25 J,能量不稳定度小于3%,脉宽16~20 ns可调,脉宽不稳定度小于1 ns,光束发散角小于等于2.5 mrad,重复频率达5 Hz。对TC4钛合金进行激光冲击强化实验,大幅度提高了TC4钛合金试件表面的残余压应力。结果表明,研制的激光器各项性能良好。