基于LD激发荧光粉白光光源的窄光束照明光学系统设计

蓝光半导体激光器激发荧光粉产生白光光源技术发展迅速，但由于大功率蓝光半导体激光器在快轴、慢轴方向的光场分布差别较大，使得日前激光照明整体光学性能仍旧较差，难以实现大规模推广应用。针对该问题，设计了一款高质量激光照明光学系统，基于蒙特卡洛光线追踪理论，对激光光束进行准直调控、均匀光斑整形以及对荧光片进行设计，使得整体光源模块各元件得到最佳整合，最终实现了窄光束激光照明。仿真结果表明:激光光源的光收集率达98.3%，激光光斑的不均匀度为1.7%，白光均匀度为98%，光斑是出射准直角为1.6°的方形窄光束白光光斑。     

基于改进GS算法设计DOE制备紫外波段微米级均匀光斑

利用衍射光学元件（DOE）对紫外激光进行相位调制，可在远场衍射获得微米级均匀光斑。该方法的优点为：可灵活设计均匀光斑的形状、尺寸；具有较高的能量损伤阈值，适用于高功率光源。DOE设计的难点在于制备微米级均匀光斑的同时，兼顾陡度、均匀度等参数指标。基于解析法设计DOE生成的均匀光斑过渡区陡度变化缓慢，可有效利用的均匀区域较小，不适合制备小尺寸均匀光斑。此外，基础Gerchberg-Saxton(GS)算法制备微米级平顶光束，整形效果不明显，均匀度无法满足应用要求。将基础GS算法收敛结果作为改进GS算法的初始相位，改进GS算法在频域设置信号区和噪声区，并限制频域振幅分布，在理论上具备可行性。分析了离焦误差影响，并进行了实验验证，发现实验结果与理论结果具有一致性。     

光束整形在激光照明中的应用

提出利用光束整形技术提高激光照明均匀性、调节照明远场光斑尺寸的方法,用Easylaser激光仿真软件分析光束截断比对照明均匀性的影响,分析大气湍流条件下光束整形对照明均匀性的影响,并比较调节光束质量与光束整形对照明均匀性的影响。结果表明:光束整形具有调节照明激光远场光斑尺度及均匀性的能力,相位调节因子越大,整形后远场光斑半径越大、均匀性越好;光束截断比越大照明均匀性越好;弱湍流条件下,光束整形比调节光束质量的照明激光远场光斑均匀性更好。     

工作距离可调的激光显微操纵器光学系统设计

考虑传统激光显微操纵器的缺点,采用反射式结构设计了新的激光显微操纵器,以提高激光显微操纵器输出光斑的质量。用He-Ne激光作为指示光束,CO2激光作为工作光束,对两种光斑的重合性、光斑大小进行了优化设计;利用ZEMAX软件中多重结构的功能使系统设计满足200～400 mm工作距离可调的要求。对设计的系统进行了实验,给出了光学系统图、能量图及点列图表。实验结果表明,在规定的工作距离内,系统的光斑重合性,光束均匀性、稳定性及可靠性等方面均有了很大提高。该激光显微操纵器与手术显微镜结合,有术野清晰,操作安全的特点,可满足医疗的长期使用要求。     

激光通道传输热特性对远场光束质量的影响

 通过仿真计算分析了激光在光束控制系统通道内传输所产生的热效应及其对远场光束质量的影响。激光传播由近轴波方程描述，用快速傅里叶变换技术求解；激光热效应引起的流场密度变化采用完全Navier-Stokes方程计算。计算给出了不同波长、不同吸收系数条件下的远场光斑情况。计算结果表明，在典型的工作条件和状态下，较高能量激光在光束控制系统通道内产生的热效应影响不容忽视，它会明显降低远场目标处的能量集中度，增大光斑的发散。     

大功率高光斑均匀性半导体激光复合光源

 为了获得具有更高输出功率和良好光斑分布均匀性的半导体激光光源,根据半导体激光优良的偏振特性,利用偏振分光棱镜将2束大功率激光束合成为一束更大功率的光束,通过一个发射系统投射。在光束合成前采用非球面光学系统对每个激光器慢轴方向的光束进行扩束,使其与快轴方向光束发散角基本一致。实验证明,此种半导体激光复合光源具有良好的光斑均匀性,其输出功率是2个半导体激光器输出功率之和,完全满足激光制导等军用系统对激光功率和光斑均匀性的要求。     

连续位相板均方根梯度对焦斑匀滑特性的影响

为满足惯性约束聚变(ICF)系统中,对焦斑均匀辐照的条件,研究了连续位相板(CPP)面形特征对远场光斑质量的影响.从波动光学和几何光学两个不同的角度建立分析模型,并利用均方根梯度这一参数将其统一起来.利用所建立的分析模型,通过数值计算研究了CPP面形均方根梯度对低频畸变光束的匀滑效果.结果表明:随着CPP均方根梯度增大,匀滑后的远场焦斑半径增大;光束顶部不均匀性先很快减小,再缓慢降低,最后趋于不变,可见CPP对光束的匀滑效果明显;束匀滑过程对能量利用率的影响先几乎不变,然后逐渐减小.当CPP的相关长度不变,均方根梯度在0.2-0.8 wave/mm范围内时,光斑尺寸、光束顶部不均匀性及能量利用率都在较好的范围. 关键词： 连续位相板 均方根梯度 光束匀滑 聚焦光斑     

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。     

基于非球面镜的激光能量均匀化设计

针对激光光束的能量均匀化研究，先后出现了多种方法，基于“不等步长采样”原理设计了包含非球面镜的光学系统。首先从理论上分析了其可行性，然后对实际激光光束进行了能量均匀化的设计。模拟分析结果表明，出射光束发散度小于0．02°，照度均匀度达92．9％，证明了此方法的可行性。     

扫描环形光斑激光束优化研究

激光束的形状和能量分布限定了激光的应用范围,为满足不同的激光加工需要,必须对激光束进行变换。针对实验室用CO2激光器在热处理方面的应用,提出了激光扫描环形光斑光束优化法。基于温度场叠加原理建立了扫描环形光斑温度场的数学模型,模拟其温度场,可得到其温度分布特性;通过实验研究,分析了聚焦光斑与扫描环形光斑在激光淬火中对材料的热作用效果。结果表明,扫描环形光斑能改善激光热处理硬化层分布。理论和实验研究表明,激光扫描环形光斑技术可以实现激光热处理光束的优化,有一定的应用前景。     

基于波导管的无缝扫描光刻激光均束设计

351nm波长的准分子激光器由光波导管作为激光均束器,直接输出正六角形均匀分布的照明光束,能在大面积激光投影光刻中实现无缝扫描。同目前常用的微透镜阵列器相比制作简单,无须光阑就能直接获取所需要的六角形光束,减少了能量损失。通过合理的假设和理论推算,依据管内最大反射次数就能适当地选取光波导管的长度,既保证了足够的反射次数以维持良好的均匀性,同时又避免了不必要的管长所带来的更多反射损耗。利用ZEMAX光学设计软件模拟和分析了由光波导管输出的照明光。结果表明,输出的六角形光束的相对光通量为96%,近似于平顶的能量分布,呈现出了极好的均匀性。     

XeCl准分子激光光束均匀器及其应用

采用光束均匀器，改善ＸｅＣｌ准分子激光器输出光束强度的分布，其起伏优于２％，用这一装置测量了Ｃ６０薄膜的刻蚀阈值，并完成了准分子激光改变Ｃ６０薄膜电导率的实验研究。     

准分子激光的光束波面测量技术

 准分子激光在激光光刻和微细加工中有广泛的应用，要求激光具有好的稳定性和光束波面均匀性。介绍了准分子激光的波面特性以及波面分析测量技术。用波面分析仪对XeCl和ArF激光特性进行全面的测量和评估，给出了主要参数的测量结果，重点分析了光束均匀性。     

部分相干源实验研究

 在无阶梯诱导空间非相干光束平滑技术中，用作前端的部分相干源是重要的组成部分。介绍了利用准分子激光进行的部分相干源实验，发现聚四氟乙烯是一种较理想的散射材料。研究了聚四氟乙烯散射源对光束的散射性能，给出了光束均匀性、空间相干性和能量转换效率等参数。     

Laser processing of micro-optical components in quartz

Laser induced backside wet etching combined with the diffractive gray tone phase mask has been used for the fabrication of a micro-lens array with a single lens diameter of 1 mm and a micro-prism in quartz. The micro-lens array was tested as beam homogenizer for high power XeCl excimer laser yielding a clear improvement in the quality of the laser beam.The optimum fluence range for fabrication of micro-lenses by laser induced backside wet etching using 1.4 M pyrene in THF solution and 308 nm irradiation wavelength is 1-1.6 J/cm². The etching mechanisms of LIBWE are based on a combination of pressure and temperature jumps at quartz-liquid interface.     

基于二元光学设计的高能激光窗口的初步探讨

对非均匀近场强度分布影响强激光远场聚焦效果的原因进行了分析。对高能激光窗口进行了二元光学设计。提高了光束强度分布的均匀性,改善了光束质量。介绍了二元光学设计的基本原理,采用随机并行扰动爬山法对窗口的位相分布、变换后的光束强度分布、衍射效率和光束均匀性进行了计算。计算结果表明,基于二元光学设计的激光窗口能有效地改善光束强度分布的均匀性,提高了发射光束的质量。     

利用脉冲负反馈压缩准分子激光脉冲

 分析了准分子激光脉冲在放大过程中的展宽现象。将饱和开关技术应用于放电泵浦激光器放大腔的放大压缩,发展了脉冲负反馈饱和压缩技术。利用该技术在天光一号系统前端LPX-150激光器上成功获得能量100 mJ、脉宽10 ns的脉冲输出,其空间分布均匀性保持在3%以内。这证明该技术可与无阶梯诱导非相干技术联合使用,在保证光束均匀性基础上进行脉冲压缩。     

One-dimensional reflective diffuser for line beam shaper with microlens array homogenizer

A laser beam shaping architecture based on a microlens array homogenizer has been exploited, in which the interference effect due to the coherency of the laser source deteriorates the uniformity. Moving diffusers have been considered as an effective way of averaging out the interference pattern. Because the uniformity is required in the line direction only, a one-dimensional reflective-type diffuser with a well-controlled diffusion angle has been proposed and prototyped. The diffuser is attached onto a rotating cylinder for movement in operation. The experiment demonstrates the effectiveness of the scheme, and a line beam with a uniformity of up to 92% has been achieved.     

Performance of a zoom homogenizer for reshaping coherent laser beams

We have reshaped the TEM₀₀ beam emitted by a diode-pumped Nd-Yag laser by means of an optical homogenizer with zoom. The laser beam, first enlarged up to a size of (100 × 37.5) mm², is homogenized and resized to a final dimension continuously adjustable from (130 × 4.5) mm² up to (130 × 52) mm². We measured the plateau uniformity, the root mean square fluctuation and the edge steepness of the beam according to the ISO standard definitions, showing a poor reliability of the above parameter values due to the definitions themselves, and propose an amendment to overcome this problem. We obtained a very sharp edge steepness, but the spatial coherence of the laser beam put a lower limit to the high-frequency intensity fluctuations on the plateau region of the homogenized beam. Finally, we discuss the optimum homogenizer design for spatially coherent laser beams, including the depth of focus issue.     

Production of intensities of ∼ 1019 W/cm2 by a table-top KrF laser

We report on the generation of intensities of 10¹⁹ W/cm^–2 by focusing the output beam of a table-top hybrid dye-excimer laser system operating at 248 nm. The laser system uses a pulsed dye laser and a single, commercially available excimer gain module. Considerations and optical arrangements for the optimization of the phase-front and the beam homogeneity of ultraviolet excimer amplifiers are presented.Prof. F.P. Schäfer on the occasion of his 65th birthday.