基于半导体泵浦倍频绿光激光器的探究性实验设计

为探究在谐振腔中倍频晶体位置对绿光激光器输出功率的影响，利用半导体泵浦固体激光实验仪设计了腔内和腔外倍频绿光的探究性实验。分析了绿光倍频效率与基频光束的功率密度及光斑半径之间的关系，分别测量了磷酸钛氧钾(KTP)倍频晶体位于谐振腔內部和外部不同位置时，532 nm倍频绿光的输出功率。其中在腔外倍频实验中，分别设计了腔外不加透镜时KTP晶体位于腔外不同位置，以及加上透镜时KTP晶体位于聚焦位置两种实验方案。同时，在实验中引导学生利用谐振腔理论和高斯光束传输理论等激光原理计算1 064 nm基频光在腔内外不同位置的光斑半径，分析了KTP晶体在不同位置时532 nm倍频光输出功率出现差别的原因，以及利用透镜聚焦提高激光功率密度以达到提高倍频效率的方法。     

双面菲涅耳聚光镜设计

为了减小光伏发电聚光系统的轴向尺寸,使聚光系统的厚度更薄、质量更轻,讨论设计了一种透射式双面菲涅耳聚光镜。通过设计,使光线在通过双面菲涅耳聚光镜的前表面环带后进入相应的后表面环带,减少了光能损失,使太阳能电池获得的能量密度更高。推导并给出了双面菲涅耳透镜的后表面环带设计公式。用光学设计软件Light Tools模拟了双面菲涅耳聚光镜的光学能力,并对模拟结果进行了分析评价。给出了一个口径为200 mm,焦距为120 mm,F数为0.6的双面菲涅耳聚光镜设计实例,在波段为380~760 nm,太阳张角为0.55°时,聚光系统的聚光效率达到85%,与相同口径相同焦距的传统菲涅耳透镜相比,聚光效率提高了21.1%。     

离轴非旋转对称叠加方形光斑均匀聚光菲涅尔透镜

针对传统点聚焦菲涅尔透镜聚光分布均匀性差以及聚焦光斑形状与太阳能电池片不匹配的缺点,采用离轴非旋转对称叠加方法进行了方形光斑均匀聚光菲涅尔透镜设计,透镜采用方形非旋转对称结构,设计过程中通过在透镜中心截取一方形小孔来降低聚焦光斑中心辐照度峰值,改善接收面聚光分布,以提高聚光均匀性.采用光线追迹法模拟并分析了小孔边长、离轴偏移量、离轴聚焦距等参量对聚光性能的影响,结果表明:采用该方法设计的透镜聚焦光斑形状为方形,聚光均匀度高达90%.     

基于角谱法的振幅型光子筛的设计和分析

对光子筛的聚焦成像原理作了分析,并用平面波角谱方法对光子筛聚焦成像进行了数值模拟.模拟结果表明,光子筛聚焦具有提高分辨率和抑制高级衍射的优点.在理论分析和计算机模拟的基础上,设计并制作了Fresnel波带片、未平滑处理和平滑处理后的光子筛.用波长为532 nm激光光源对波带片和光子筛聚焦光斑进行检测.结果表明,光波通过光子筛聚焦后的光斑比波带片的光斑更细,成像对比度更高.     

大口径超长焦距紧凑型光学系统设计

为满足空间遥感光学系统结构紧凑、体积小以及高分辨率的需求,提出了一种长焦距紧凑型光学系统的设计方法。基于高斯光学和初级像差理论,创建了同轴四反射镜系统的初始结构,通过视场偏置的方法避免二次遮拦。对设计的大口径超长焦距同轴偏视场四反射光学系统进行优化,系统口径1 800 mm,有效焦距25 000 mm,全视场角1°×0.1°。设计结果表明,系统设计波像差优于λ/50(λ=632.8 nm),全视场相对畸变小于0.4%,光学筒长仅为有效焦距的1/10,结构简单紧凑,像质接近衍射极限,对大口径超长焦距空间遥感光学系统的设计具有一定的借鉴作用。     

分区域多焦点叠加方形光斑均匀聚光菲涅耳透镜设计

针对传统点聚焦菲涅耳透镜聚光分布均匀性较差以及聚焦光斑形状与太阳能电池片不匹配的缺点,提出了一种分区多焦点叠加方形光斑均匀聚光菲涅耳透镜的设计方法。在传统圆形同心环带点聚集菲涅耳透镜的基础上截取4个缺角等腰直角三角形菲涅耳透镜单元,做无缝拼接形成分区域四焦点叠加的方形光斑均匀聚光菲涅耳透镜,通过这4个区域光的叠加有效改善了聚光的均匀度。基于光线追迹法,采用TracePro光线模拟软件模拟并分析了环距、缺角弦长、腰长等透镜结构参数对聚焦光斑形状、聚光均匀度、辐照度等光学性能参数的影响。结果表明采用该方法设计的透镜聚焦光斑形状为方形,聚光均匀度高达90%以上。     

激光光斑照度的散射成像测量方法

微透镜阵列法是实现光束匀化的主要途径之一,通过改变成像透镜的光焦度,可在焦平面处得到大面积的均匀光斑。基于理论和实验分析了散射成像法的可行性,为了准确测量焦平面处光斑的照度,在考虑漫射板反射率及相机离轴角等影响因素的基础下,从张正友相机标定法出发,建立了图像灰度值与目标面光斑照度的数学关系;在实验中标定了漫反射板的双向漫反射分布函数,针对两种焦距的主积分透镜,测量了焦平面及附近位置处匀化光斑的照度分布。实验结果表明:当积分透镜焦距分别为300 mm和500 mm时,目标面处的激光通量基本一致,光斑大小与理论值基本接近;分别比较了两种情况下观察面离焦时光斑分布的变异系数,得到光束经微透镜后匀化效果最佳的位置。     

长焦距测量系统的像差误差校正方法研究

针对长焦距测量中被测透镜像差引入的焦距测量误差提出了一种校正方法。传统长焦距测量中使用高斯公式来计算被测透镜的焦距值,未考虑被测透镜像差引入的误差。在采用发散光作为测量光束的大口径光学元件焦距测量中,该误差成为了影响测量精度的重要因素。详细分析了基于发散光和泰伯效应的长焦距测量法,利用数值方法获得了误差修正值,并与Zemax的仿真结果进行了对比。利用Visual C++编程,实现了测量结果的自动校正功能。对名义焦距值为13500mm和31251mm透镜的测量数据分别进行校正后,其相对于名义焦距值的测量精度分别优于0.007%和0.022%。将校正后的测量精度与干涉仪法的测量精度进行了对比,结果充分说明了该方法是可靠和有效的。     

基于锥面衍射实现高效率双光栅光谱合成

分析了基于锥面衍射的双光栅光谱合成系统的可行性,设计了激光入射角为Littrow角附近的双多层介质膜(MLD)光栅光谱合成系统,开展了两路合成实验。当入射极角等于自准直入射角,入射方位角为6°时,光栅衍射效率近似等于光束自准直入射时的衍射效率。基于锥面衍射原理,对中心波长为1050.24 nm和1064.33 nm的两束光纤激光子束进行合成,入射极角为43.99°,测得合成效率为92.9%,较基于非锥面衍射的双光栅光谱合成系统的合成效率提高了8.8%;测得合成光斑光束质量Mx 2=1.204,My 2=1.467,与基于非锥面衍射的双光栅光谱合成系统输出光斑光束质量基本一致。     

直接水冷的Yb∶YAG薄片激光器系统设计与实验研究

设计了一台二极管泵浦的具有新型四通泵浦结构及接触式水冷装置的Yb∶YAG薄片激光器.激光泵浦源采用中心波长为940nm的二极管激光器,利用多模光纤进行耦合输出.YAG晶体Yb3+离子掺杂浓度为10%,几何尺寸为直径10mm,厚度500μm.激光晶体的散热装置采用自来水直接冷却,自来水通过铜热沉中打通的V型槽与薄片晶体直接接触.泵浦耦合系统采用聚焦透镜和一对直角棱镜的组合实现四通泵浦,聚焦透镜规格为直径50mm,焦距50mm.模拟了谐振腔的稳定性及不同腔长条件下所对应的激光光斑半径,设计了不同腔型的Yb∶YAG薄片激光器.在F-P腔中采用透过率为5%的输出耦合镜,获得了最高功率为3.28W的1 031nm连续激光输出,光束质量因子M2x=1.79,M2y=1.86,斜效率为20.5%.     

基于透镜畸变效应的仿人眼扫描系统设计

仿人眼扫描具有旋转与尺度不变性、背景信息压缩及变分辨率信息采集等优点,但传统的仿人眼扫描方法存在系统结构复杂、扫描速度慢等缺点,提出一种基于透镜畸变实现扫描环增长,采用阿贝棱镜旋转实现对目标视场扫描的仿人眼扫描方法。利用透镜畸变对不同视场下入射光斑进行放大,进而实现仿人眼光斑结构。通过物像关系求解透镜初始参数,将仿人眼扫描光斑的环间增长系数作为透镜畸变优化目标函数,对透镜参数进行非球面优化,获得透镜结构参数。设计的仿人眼扫描系统焦距为14.24 mm,工作距离为25 mm。仿真结果表明:入射高度为20 mm的1×16线阵激光能够对直径为27.66 mm的像面实现16环仿人眼扫描,扫描光斑的最大环增长系数为1.08。相比于传统仿人眼扫描方式,此文提出的方法具有成本低、结构简单、扫描速度快等优点。     

低电压驱动液晶变焦透镜的设计与优化

在单圆孔电极液晶透镜基础上进行结构改进,形成双层非对称新型液晶透镜。结合几何光学和液晶理论,利用Zemax模拟并优化该双层结构液晶透镜参数。由Zemax分析可知,在相同的低驱动电压(2.5Vrms~20Vrms范围),0°、3.5°、5°视场角中,双层结构透镜相比于单层结构透镜,可获得更宽的调焦范围,短焦焦距f从19.6172mm缩小到9.9059mm;像差显著减小;该光学调制传递函数(MTF)为0.6时,径向分辨率从12.06lp/mm提高到21.02lp/mm,提高近一倍,图像解像力和清晰度显著提高,并且高频部分MTF由0.1增加到0.3。最后,实验验证了20Vrms时,双层结构液晶透镜的衍射光斑最小。     

基于PSD的单透镜激光三角测头设计

在传统直射式激光三角测距方法的基础上,设计了一种基于位置敏感探测器的单透镜激光三角测头.引入一枚分束镜,将聚焦透镜和成像透镜合并为一枚.在空间布局上,令分束镜、探测器、聚光透镜三者共轴,使系统的结构更加紧凑,并推导了满足该结构的Scheimpflug条件.利用Zemax光学设计软件仿真光学系统,系统焦距20mm,入瞳直径4mm,总长20.5mm,可实现测量系统的小型化.同时,对位置敏感探测器进行非线性校正以及相关信号处理,保证在较高测量精度的前提下获得更大的工作范围,并提高系统对测量环境适应性,可广泛应用于工业实时在线检测等领域.     

不同实验条件对激光诱导等离子体的影响机理研究

常温常压下,采用波长532 nm的Nd:YAG纳秒激光器激发诱导空气中的铝合金,由高分辨率的光谱仪和ICCD对等离子体发射光谱采集和实现光电转换。研究激光能量、ICCD门延迟和聚焦透镜到样品表面的距离(lens-to-sample distance,LTSD)对谱线信号强度和等离子体电子温度的影响,并分析了产生影响的物理机制。结果表明,固定ICCD门延迟和LTSD,随着激光能量的增大,谱线强度和电子温度均增大;计算结果表明,当激光能量从20 mJ增加到160 mJ时,原子谱线Al I 396.15 nm,Mg I 518.36 nm,离子谱线Mg II 279.54 nm谱线强度相较于20 mJ分别提高了12.83,6.45,10.56倍。固定激光能量和LTSD,ICCD门延迟在100~4000 ns范围内变化时,随着延迟的增加,谱线强度和等离子体电子温度均呈指数形式衰减。固定ICCD门延迟和激光能量,采用焦距为75 mm的聚焦透镜,研究了LTSD对等离子体参数的影响机理。结果表明,聚焦透镜到样品的距离对等离子体的谱线强度和电子温度有较大的影响。等离子体的特征谱线强度和等离子体的电子温度的变化规律基本一致,分别在聚焦透镜到样品表面的距离为73 mm和79 mm处取得峰值,并在73 mm处对应最大值。     

用于千瓦级直接半导体激光堆栈的聚焦光学系统

针对2 750 W直接大功率半导体激光堆栈输出的矩形光斑,设计了一种长焦距光学系统用于激光材料加工。首先,对整形光路进行了理论分析,利用倒置开普勒望远系统原理对慢轴光束进行扩束和准直,再利用聚焦镜实现快慢轴同步聚焦。推导出了快慢轴聚焦光斑大小的公式并计算出焦深理论值,分析了聚焦光斑大小的影响因素。接着,用ZEMAX软件模拟了LD stack光源和整个光学系统并进行了光线追迹,得到了模拟的光束变化形式及聚焦光斑尺寸。最后,进行相应的实验验证,实现了1.5 mm×4.0 mm的焦点光斑,焦距250 mm,焦深18.6 mm。讨论了整个聚焦光学系统性能的优缺点以及今后的改进方向。这种聚焦方法可以得到长焦距高功率密度聚焦光斑,满足激光熔覆、表面处理等工艺对光源的要求。     

太阳光光纤耦合光学系统设计

介绍一种长焦距、大口径太阳光光纤耦合系统的光学设计。为达到减小大口径单透镜汇聚太阳光所产生的球差和色差的目的,采用聚光透镜后增加消像差光学系统的方法,并用Zemax软件设计优化出适用于光纤耦合的光学系统,经过优化设计得到光斑半径为45.043 m,能量集中度达95 %以上,像方孔径角为9.090 2,系统总长525.584 mm,满足数值孔径为0.22,芯径直径为1.5 mm的石英光纤的耦合要求。     

自聚焦透镜的光斑尺寸与像差特性分析

对自聚焦透镜的光斑尺寸和像差特性进行了理论分析.利用自聚焦透镜光斑测量系统对样品的出射光斑进行了扫描,测得了光斑的大小；用读数显微镜和正方形网格图分别测量了样品的球差和畸变,并对光斑的测量作了误差分析,讨论了球差与畸变、光斑和像差之间的关系.所得结果对光斑质量的改善、像差特性的研究和自聚焦透镜的评估有一定的参考价值.     

大容差光纤耦合技术研究

设计了一种新型的耦合系统,该耦合系统由大口径聚焦透镜、1/4节距自聚焦透镜、锥形光纤和球端光纤四部分组成.分析了自聚焦透镜压缩发散角和球端光纤增大数值孔径的机理,给出了计算锥形光纤参量的详细流程.采用大口径透镜和1/4节距自聚焦透镜有效增大径向位置容差和角度容差,然后通过锥形光纤压缩光束半径将激光耦合进球端光纤.仿真实验结果表明,该系统耦合在r<3 mm,－1<θ<1.5范围内的耦合效率稳定保持在50%以上.     

非扫描测风激光雷达光学系统设计

光学系统是测风激光雷达小型化的关键,光学设计的质量直接影响系统的整机性能。提出了一种全光纤多路收发非扫描多普勒测风激光雷达系统方案,对其工作原理作了简要介绍;在对激光雷达系统信噪比开展理论分析的基础上,提出了光学天线的视场、孔径、焦距等设计参数,并利用光学设计软件对光学天线进行了设计和仿真实验。该系统工作波长为1064nm,设计结果表明,光学天线相对口径为1∶4.28,全视场角为20°×22.5°,总长为277mm,后截距127.28 mm,有效焦距300 mm,口径70 mm,各视场光纤耦合效率均在65%以上,满足设计指标要求。     

空间目标表面材料反射率的测量北大核心

介绍了双向反射分布函数测量空间目标表面材料热特参数的原理和方法,搭建了双向反射分布函数光谱特性和激光散射特性测量平台,对空间目标的几种典型热控涂层反射率进行了测量。测量结果表明,在入射角为0°时,SR107白漆涂层的反射率为0.785;OSR,F46和聚酰亚胺薄膜对532 nm激光的反射率均大于90%。