基于混合合束的复合激光系统

采用偏振合束与光谱合束结合的方式,实现了4种近红外激光束的空间合成,包括固体纳秒脉冲激光、高功率连续光纤激光、高重复频率纳秒脉冲光纤激光和亚毫秒（长脉冲）光纤激光。开发了仿真软件对偏振合束器、光谱合束器及各激光器的光谱特征和偏振特性等主要相关参数进行设计优化,基于仿真结果研制了由上述4种激光系统和一套偏振/光谱合束链路构成的复合激光系统。系统的合束效率可达93.9%,实现了近红外波段多种脉冲和连续激光束的共轴发射,该系统可用于研究激光与物质相互作用的合作效应。     

激光合束光学系统气体热效应影响分析

为了分析激光合束光学系统的成像质量,本文研究了激光合束光学系统的热耦合效应。借助光学设计软件建立激光合束系统模型,基于传热学理论,根据光学系统结构及流场条件参数建立气体流体模型。根据光线追迹法编写用户自定义函数,通过数值模拟定量研究了介质气体热效应引起的波像差系数。仿真分析了气体热效应在不同时间下对激光合束光学系统的影响。结果表明,受重力影响激光合束系统热效应的旋转对称性变得不再明显,随着温度升高呈现分层变化,且非均匀热效应以低阶像差为主。将波像差系数导入光学设计软件,可实现复杂光场与热场耦合传函的定量分析,波像差劣化0.3λ,传递函数下降0.1。     

半导体激光器在激光遥控制导中的空间耦合

针对高功率脉冲半导体激光器的远场特点,及激光制导对激光功率密度和光斑均匀性的要求,给出多孔径空间耦合方案并对其优点进行理论分析;针对纳米叠层芯片高功率半导体激光器偏振特性,基于偏振复用的原理,进行2支高功率半导体阵列激光器的偏振合束研究。通过试验得出结论:偏振耦合后系统输出光功率几乎2倍于单个激光器输出功率,采用多孔径耦合及偏振耦合均能满足遥控制导光斑要求。     

多波段高功率激光扩束系统设计

 对透射式和反射式扩束系统应用于高功率激光扩束的优缺点进行了对比研究。采用次镜为凸抛物面,主镜为凹抛物面的无焦卡塞格林系统,运用ZEMAX光学设计软件,按激光扩束系统的扩束倍率和系统的波像差要求,设计出多波段高功率激光扩束系统。对用于高功率激光反射镜的基底材料进行分析,选用无氧铜作为基底材料;采用金增强的膜系设计,膜系从近红外到远红外宽光谱波段激光的反射率均在98%以上。面形精度均方根值优于λ/40(λ=0.632 8 μm)的平面镜作为基准镜,采用光学干涉方法对设计的激光扩束系统进行检测实验,结果表明：该扩束系统的扩束倍率为3.53,波像差为0.206λ,满足多波段高功率激光光束发射要求。     

基于双色镜光谱合成9.6 kW合成光源

通过光纤激光光谱合成技术,可以打破单个光纤激光器输出功率受非线性因素制约的限制,实现更高功率的激光输出。通过梳理光谱合成技术的发展历程并分析其现状,对其原理及优劣势进行分析,结合自身研究,设计了一款便携式3路合成系统,通过设计及优化光纤激光器的放大结构,严格把控参与合束的子束光源的质量,将1 055、1 070和1 085 nm三路高功率窄线宽光纤激光进行合束,对合成系统中采用的双色镜进行研究,对其膜系指标进行严格的设计,对高陡度截止滤光膜的设计方法以及制备工艺进行分析,对其热损伤规律及控制技术进行研究,优化整个合成系统,最终实现合成功率9 650 W的高功率激光输出,合成效率92%,光束质量M2为1.7,并对未来双色镜光谱合成进行了展望。     

基于光谱合束技术的透射光栅模拟设计

半导体激光器光谱合束技术能够实现近衍射极限的高功率激光输出,已成为当前研究热点。衍射光栅的性能直接决定光谱合束的激光输出效果。模拟设计了一种针对940 nm波长、熔融石英材料的亚波长透射光栅。基于严格耦合波理论对光栅结构进行初步设计,运用Rsoft软件依次对光栅占空比、脊高和周期等参数进行优化确定,同时分析了各个参数对光栅衍射效率的影响。所设计的透射式光栅实现第-1级衍射级次的波分复用功能,衍射效率达到91.2%(TE模式),同时压缩其他衍射级次,使其衍射效率降到1.2%以下。同时在光栅入射角度59°±3°范围内保持90%以上的衍射效率,实现高功率激光输出的同时具有较高的误差容错率,易于调节,满足光谱合束技术的要求。     

二维激光阵列逆达曼光栅相干合束理论研究

采用逆达曼光栅及相位补偿原理将多束锁相相干的阵列激光合成为远场单一主瓣光束是一种实现高功率和高亮度相干合束的技术方案.以5×5和32×32二维相干激光阵列为例进行了理论模拟分析,同时分析了逆达曼光栅相干合束实验中相位板相位误差、逆达曼光栅对准误差和放置角度误差对合束效率的影响.理论分析及数值模拟计算结果表明,逆达曼光栅...     

半导体激光光栅外腔光谱合束压窄光谱的理论研究

介绍了一种减少半导体激光器阵列光栅外腔光谱合束(SBC)整体光谱展宽的方法,通过加入一组变形棱镜对传统光谱合束结构进行了改善。变形棱镜的作用实现减小半导体激光线阵输出光斑宽度,减小入射到光栅上的入射角度进而减小整体的光谱线宽。采用发光单元宽度为100 m、周期为500 m、由19个发光单元组成的常规CM-Bar条进行光栅-外腔光谱合束技术的理论推导及软件模拟,得到了光谱线宽为3.2 nm。与通过增大柱透镜焦距来减小光谱线宽的方法相比,此方法的优势是保证了整体光谱合束的整体结构在500 mm以内,使得各个发光单元有足够反馈量,抑制光束间串扰,保证合束后的光束质量和效率。     

光纤激光光谱合束及光栅热效应研究进展

受热效应、光学损伤与非线性效应等因素的限制,单纤的功率提高困难。因此通过光学元件将多束激光进行合束的光束合成技术应运而生。光谱合束方案具有结构简单,合束光束质量好等优点,逐渐成为了合束技术发展的主流。简要介绍了光纤激光光谱合束的几种常见合束方案,对比分析了几种合束技术的优缺点。对光谱合束中存在的光栅热畸变问题,从理论研究和实验研究两个方面进行了针对性的分析与讨论,并对光谱合束未来的发展趋势进行了展望。     

二维固体激光阵列逆达曼光栅相干合束技术模拟研究

采用逆达曼光栅将二维锁相相干的激光阵列进行相干合束并进行孔径装填是获得远场单一主瓣大功率高光束质量激光输出的一种有效技术方案,将其应用于大尺寸5×5固体激光相干阵列相干合束中,并进行了固体激光阵列合束孔径装填的理论分析和原理性验证实验,测量了系统的实际合束效率,同时进行了后焦面逆达曼光栅的加工和放置误差对合束效率影响的详细分析。实验结果表明,逆达曼光栅用于固体激光阵列相干合束是一种有效的技术方案,且可以通过调节光栅周期和傅里叶透镜焦距来适应系统对激光阵列占空比的要求。这对于开发基于逆达曼光栅相干合束的高功率高光质量的全固态激光系统具有重要的意义。     

用于高能激光系统的共孔径光学装置设计

高能激光系统的主要工作方式是利用其精跟踪模块将发射激光传输聚焦至闭环跟踪条件下的目标上,使之受到毁伤或失效。为实现该工作方式,本文研究设计了一套共孔径光学收发装置。该装置的发射系统主要由离轴两反式主望远镜模块、伽利略透射式调焦望远镜模块和光束馈送模块共同组成二级扩束系统,接收系统主要由离轴两反式主望远镜模块、精跟踪成像模块和光束馈送模块共同组成长焦距光学系统,其中光束馈送模块由二向色镜、快速反射镜等光学元件组成。以非相干空间合束的基模高斯光作为激光光源,利用光学设计软件对该装置进行了优化设计。对于发射系统,获得了激光经过调焦望远镜模块不同的调焦量调制后,传输至0.5~5 km处的光斑分布情况,且激光波前像差RMS值均优于λ/20;对于接收系统,由各模块一同构成的成像光学系统的性能经优化后接近衍射极限,其中系统传递函数在70 lp/mm时大于0.6,最后通过样机实验也验证了设计的正确性。本文的设计和实验结果证实了该共孔径光学收发装置结构合理,性能可靠,满足高能激光系统的工程应用需求。     

基于多层电介质光栅光谱合成的光束质量

基于电介质光栅的光谱合成是实现高功率高光束质量激光的重要途径. 在电介质光栅的光谱合成系统中, 光栅色散效应是影响合成激光光束质量的重要因素. 本文推导了单光栅和双光栅光谱合成系统中由于光栅色散引起M²因子的变化公式; 详细讨论了这两种合成系统中单路激光线宽、单路激光光斑半径、相邻两路激光波长差、相邻两路激光间距以及光栅周期对光束质量的影响. 研究表明对于单光栅合成系统, 在合成过程中若保持光束质量M²因子的大小不变, 则单路激光带宽随光斑半径的增加而减小; 在双光栅光谱合成系统中, 在保持光束质量的前提下, 单路激光带宽可随光斑半径的增大而相应增加. 数值计算表明, 若要满足合成光束的光束质量M² ≤1.2的要求, 在单光栅系统中激光线宽需窄于亚纳米量级, 在双光栅系统中激光带宽可为亚纳米. 本文为高功率、高光束质量的光纤激光光谱合成系统的搭建提供了理论指导.     

热补偿腔镜热变形的研究

采用ANSYS有限元软件,系统模拟了强激光作用下的热补偿全反射硅镜的温度场分布和热变形.详细地研究了不同区域的热补偿和不同的热补偿功率大小对镜面变形峰谷值的影响.结果表明有效的热补偿对镜面变形峰谷值有很大的影响,在非光照区进行热补偿可以大大降低镜体的温度梯度,从而明显减小镜面变形的峰谷值.热补偿腔镜特别适合于机载或车载军用强激光器.     

复合式无遮拦激光扩束器的设计

为满足大功率激光发射的要求,提出研制一种基于卡塞格林系统的大口径激光发射的复合式无遮拦激光扩束器,消除卡塞格林系统中心遮拦,提高激光发射效率。依据卡塞格林系统原理及其结构特征,结合伽利略折射式扩束器的特点,设计一种发射口径为550 mm的复合式无遮拦激光扩束器,采用反射式扩束器和折射式扩束器结合的方式,在卡塞格林次镜中心开通孔,使中心被遮拦激光透过。后接伽利略式折射扩束器,对中心透过光束进行扩束,两光束共轴发射。对设计的新型复合扩束器进行激光透过率实验,实验结果表明,对于波长10.6μm激光,透过率大于95.21%,比传统卡塞格林扩束器提高22.12%。     

Output beam drift and deformation in high-power COIL

During the operation of a chemical oxygen iodine laser (COIL) with an unstable resonator of a large Fresnel number, as the output power increases, an instability of the output laser beam will appear, behaving mainly as far-field beam spot drift and deformation. In order to interpret this phenomenon, thermal expansion analysis on the scraper with finite element analysis method and a simulation of the output beam mode of this kind of laser by the method of Fast Fourier Transform were developed. From the experimental measurement and the calculation, we proposed that the presence of the nonuniform temperature distribution of scraper causes the front surface of the scraper to tilt and bulge due to thermal expansion. As the output power is increasing, all the mirror surfaces, especially the scraper's, will absorb more and more heat, causing thermal expansion of the mirror front surface to occur more seriously, thus resulting in the tilting and deformation of the far-field beam spot. The initial misalignment of the direction is also an important factor leading to the far-field beam spot drift and deformation.     

Wave optics simulation approach for high-power laser beam combination

A numerical wave optics approach for simulating multiplex super Gaussian beam combination in high-power laser facility is presented. The approach involves the application of a sequence of random phase screens and von Karman turbulence phase to an initial beam field and the summation of the intensity results. The analytical and numerical calculation results have been given to illustrate the properties of the resulting far-field pattern after coherent, incoherent and spatially coherent combination, and some of that are compared with experimental results. The approach can be used for modeling and evaluating applications such as high-power laser shooting that might utilize different beams combining approach.     

Laser beam shaping with magnetic fluid-based liquid deformable mirrors

A new controllable laser beam shaping technique is demonstrated, where a magnetic fluid-based liquid deformable mirror is proposed to redistribute the laser phase profile and thus change the propagation property of the beam. The mirror is driven by an inner miniature actuator array along with a large outer actuator. The inner actuator array is used for deforming the magnetic fluid surface, while the outer actuator is used to linearize the fluid surface response and amplify the magnitude of the deflection. In comparison to other laser beam shaping techniques, this technique offers the advantages such as simplicity, low cost, large shape deformation, and high adaptability. Based on a fabricated prototype of the liquid deformable mirror, an experimental AO system was set up to produce a desired conical surface shape that shaped the incident beam into a Bessel beam. The experimental results show the effectiveness of the proposed technique for laser beam shaping.     

Beam Combination using Stimulated Brillouin Scattering for the Ultimate High Power-Energy Laser System Operating at High Repetition Rate over 10 Hz for Laser Fusion Driver

After the laser was invented in 1960, a phase conjugation mirror has been respected to be the most fantastic one for the laser resonator composition because it can compensate any distortions of the laser beams occurred by the many inhomogenuities of the laser media and optical components. Among the many phase conjugation configurations, the stimulated Brillouin scattering phase conjugation mirror is the most simple one and many researchers have tried to utilize it to develop high power/energy laser systems. For realizing a high energy/power laser system the thermal problem is the most difficult to solve, and some researchers suggested a beam combination technique to reduce the thermal load of the big laser media to many small sized ones. To accomplish the beam combination using stimulated Brillouin scattering phase conjugation mirrors (SBS-PCMs), it is necessary to lock/control the phases of the SBS-PCMs. And some researchers have developed several ways for it, but they can lock the phases of a limited number of beams overlapped at the foci less than 5, or lock the phases by back-seeding technique but it loses the phase conjugation characteristics. For realization of the laser fusion driver, it is necessary to combine more than 10 or 100 beams. And the authors have developed recently a new phase controlling/locking technique which is isolated and independent totally from other beams and it can be applied to an unlimited number of beams in principle.     

利用频谱组束获取双光谱光源的实验研究

 针对激光多光谱探测对多色激光光源的需求,提出利用外腔频谱组束技术获取多光谱激光探测光源的方法。报道了外腔2个大模面积双包层Er3+/Yb3+共掺光纤激光器频谱组束的实验结果,获得了一种3dB线宽分别为29.3nm和11.52nm的可调谐双光谱激光探测光源。实验结果和理论分析表明：外腔频谱组束技术是一种获得多光谱激光光源的可行方法。