角锥棱镜谐振腔激光模式模拟研究

为了探究角锥棱镜谐振腔激光模式,以角锥-平面镜腔为例,将角锥棱镜等效为衍射光栅,考虑角锥镜棱宽在谐振腔中的衍射效应以及二面角误差引起的附加相位分布对谐振腔激光模式的影响,在光学谐振腔理论的基础上,建立了求解本征模式的理论分析模型.采用快速傅里叶法数值模拟不同腔长、角锥镜棱宽和二面角误差情况下该无源谐振腔激光输出模式分布情况.结果表明,在腔长30 cm、角锥镜棱宽小于75μm、二面角误差在-10′~5′之间时,可实现光斑完整的圆形分布输出模式,且有较好的光束质量;棱宽不小于0.4 mm,二面角误差在-40′~10′之间时,光斑为TEM 03阶横模,光场呈六瓣分布;当角锥镜棱宽为0.4 mm、二面角误差为3′,腔长从30~90 cm范围内增加时,该谐振腔输出的激光模式从TEM 03转换成TEM 10.     

利用含二面角误差的角锥棱镜阵列实现反射光束均匀发散的方法

角锥棱镜常应用于光电跟踪、卫星通信、干涉仪等领域.在一些特殊应用场合中,要求经角锥棱镜反射的光束具有一定的发散角,以实现对距离激光器较远位置处探测器的覆盖.由于标准角锥棱镜不具备对光束发散的功能,本文利用含二面角误差的角锥棱镜对反射光束的不均匀发散特性,提出利用角锥棱镜阵列实现对反射光束均匀发散的方法和设计原则.采用衍射光学理论分析了所提方法及其设计原则的可行性,并依此设计了一个发散半角为0.5 mrad的角锥棱镜阵列.分析了光束参数、结构参数对反射光束远场衍射特性的影响,结果表明,入射光斑强度分布对反射光束发散半角没有影响,当角锥阵列满足点光源条件时,传输距离对反射光斑的角向均匀性没有影响;当阵元数超过一定值时,均匀性不再显著变化,但反射光斑的强度将进一步增加.在工程应用中,角锥棱镜阵列安装方位角误差对反射特性影响不显著,但角锥棱镜二面角的加工精度对反射特性影响较大,可通过进一步增加阵元数加以解决.     

角锥棱镜的误差引起的反射光束相位误差分析

提出一种计算角锥棱镜反射光束相位误差的方法.光束通过非理想角锥棱镜时会引入一个附加光程差,从而改变光束的相位特性和反射光束的传播方向.在小误差近似条件下,采用光线追迹法建立了一个有效的数学模型,计算角锥棱镜的二面角误差和反射面面型误差引起的传输光束的附加相位,并分析了该模型的理论误差.在二面角误差为1",反射面面形光圈数小于0.5的条件下,该模型的数值仿真结果显示角锥附加相位具有高度的中心对称性,附加相位对入射光束引入的相位平均斜率为零,这一特性与误差的种类和大小无关.角锥棱镜的附加相位模型为分析其在应用中给系统带来的误差提供了一个新的方法,有助于指导不同应用场景中所使用角锥棱镜的加工指标要求.     

球面角锥棱镜非稳腔钕玻璃激光器

为了将虚共焦非稳腔输出光束质量高和角锥棱镜谐振腔具有免调试的优点结合到一起,提出了用球面角锥棱镜构成虚共焦非稳腔的方案。利用已有虚共焦非稳腔钕玻璃激光器,设计加工了一球面角锥棱镜非稳腔钕玻璃激光器。模拟计算了两谐振腔输出光束的模式分布,然后对两钕玻璃激光器进行了实验对比研究。结果表明:实验得到的模式分布与模拟计算结果相吻合,球面角锥棱镜非稳腔钕玻璃激光器与虚共焦非稳腔钕玻璃激光器分别获得了最大2176.9J和2340.6J的能量输出,二者的电光效率与束散基本相同,分别为4.3%,0.30mrad和4.6%,0.26mrad。     

角锥阵列改善固体热容激光器光束质量

 为改善光束远场质量,探索研究了角锥反射器的应用,利用角锥棱镜的准相位共轭特性,将角锥棱镜阵列作为热容激光器的后腔镜,抑制腔内波前畸变,并通过数值模拟计算对角锥阵列的单元边长进行优化设计。实验结果表明:角锥阵列对光束远场质量有明显的改善,当角锥阵列的单元边长为4 mm时,实现光束远场7倍衍射极限输出。     

角锥棱镜的远场衍射特性

角锥棱镜具有空间反射特性，广泛用作激光测距的合作目标，不同的使用情况有不同的精度要求，对用于远距离测距的角锥棱镜其远场衍射特性将直接影响测距效果。通过对角锥棱镜角度误差和面形误差的分析，建立了具有角度误差和面形误差的角锥棱镜的出射波面的波差分布，并按照光波的衍射原理计算具有误差的角锥棱镜的远场衍射图。通过衍射图可以看出出射光束的发散程度随着角度误差的增加而增加，直至完全分离成六束光束。同时，面形误差的增加将导致衍射图的急剧恶化，使出射光束的质量明显降低。角锥棱镜的衍射特性对角锥棱镜的设计和评价具有指导意义。     

HL-2M 装置CO2 色散干涉仪的金属角锥反射镜特性研究

针对金属角锥反射镜的加工装配误差对传输光路的影响,研究了金属角锥反射镜二面角误差与反射光束的关系。详细分析了金属角锥反射镜表面面型及形态对反射特性的影响,并对不同角锥反射镜各个区域的反射率进行测量对比,对金属角锥反射镜的偏振特性也进行分析。研究结果表明,应用于HL-2M 装置CO₂ 色散干涉仪中金属角锥反射镜的表面面形加工精度应在0.3μm 之内,二面角的装调误差宜为正公差且控制在30'内,且表面镀膜的膜层牢固不易脱落。     

角锥后向反射器的数值模拟研究

鉴于实际应用的需要，考虑角锥反射器的二面角加工误差，采用矩阵光学和矢量运算方法，建立了一套适合于数值模拟的角锥反射器的后向反射数学模型，给出了角锥后向反射器光束变换及衍射传输的公式和数值模拟计算方法。分别针对理想角锥后向反射器和有二面角加工误差的角锥反射器，研究了反射光束的传输特性，分桥了入射角和传输距离对近场和远场能量分布的影响。根据卫星搭载角锥反射器的特殊要求，讨论了速差补偿方法和设计等问题，并针对卫星姿态控制的两种情况，分别提出了速差补偿的设计方案。     

小口径角锥棱镜加工工艺研究

针对星载角锥棱镜光束平行差的特殊要求,以我国皮纳卫星激光测距合作目标中使用的通光口径为10mm角锥棱镜为例,介绍一种小口径角锥棱镜加工工艺：通过传统工艺加工出尺寸适中的角锥棱镜;通过配重分离器工艺实现光束平行差的精确控制;通过“大改小”工艺加工成小口径角锥棱镜,成品率可达83%;实践证明：该工艺可以克服小口径角锥棱镜光束平行差无法精确控制的问题,适合小口径星载角锥棱镜的加工。     

利用平凹透镜和标准角锥棱镜实现反射光束发散的方法

角锥棱镜常被用作光电测距和光电跟踪的合作信标。在一些特殊应用场合中,要求被角锥棱镜反射的光束具有一定的发散角,以实现对远场不同位置处激光器和探测器的全覆盖。标准角锥棱镜不具备对光束发散的功能,但是可以利用角锥棱镜中光束出射点与入射点不同的特性,在标准角锥棱镜前加装平凹透镜来实现对反射光束的发散。采用理论分析方法和几何光学追迹模拟方法分析了利用平凹透镜和标准角锥棱镜实现反射光束发散的可行性,同时研究了反射光束发散半角与入射光束参数和平凹透镜几何参数的定量关系。理论和模拟结果都表明,当入射光束半径小于平凹透镜半径时,反射光束的发散半角随入射光束半径准线性增加;平凹透镜曲率半径越小,反射光束发散半角越大。     

激光谐振腔自再现模的波型特征

本文用光传输矩阵理论给出分析激光光腔模式波型特性统一处理方法.导出激光谐振腔自再现模的波型函数.讨论了在各类激光谐振腔中激光束的波型特征.     

The phase mode of reflected beam from laser retroreflector with dihedral angle and flatness error

The phase mode of reflected beam (PMRB) is the most important factor for determining the far field diffraction pattern (FFDP) with laser retroreflector (LR). Based on the structure of LR and ray tracing method, the additional optical path difference of the light beam with various incident angle passed through no ideal LR is induced. Combined with the expression of incident beam, the mathematical PMRB is established for LR with dihedral angle and flatness error under different incident beam conditions. The FFDP with the phase mode is simulated for Champ laser retroreflector, which validates the correctness of PMRB.     

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。     

Role of optical resonator on the pointing stability of copper vapor laser beam

This paper presents a first comprehensive study on the pointing stability of copper vapor laser with an emphasis on bringing out the role of optical resonator. Long term (∼10 min), single pulse, far-field beam pointing stability of a 5.5 kHz repetition rate copper vapor laser (λ = 510 nm) with plane-plane, unstable and filtering resonators, is studied. It is established that the resonator optics largely decides the CVL pointing stability. Minimum beam pointing angle of 8 μrad from generalized diffraction filtered resonator (GDFR) is obtained in contrast to a maximum value of 120 μrad from the plane-plane resonator. The unstable resonators data is in between. The relative trends in CVL pointing stability are discussed in terms of wave-front distortions due to resonator mode build up from optical noise, thermal and mirror misalignment effects. The degree of optical resonator immunity to phase distortions dictates the net pointing stability achieved.     

高功率TEA CO_2激光器非稳腔实验研究

为了提高光束质量、压缩光束发散角,利用现有高功率稳定腔TEA CO2激光器进行了非稳谐振腔的技术改造及激光输出试验,非稳谐振腔采用正分支虚共焦型非稳腔方案。为充分研究谐振腔结构参数及激光振荡模体积对输出能量和光束发散角的影响,共设计加工了包含4种放大率、5种模体积的20组非稳腔腔镜组合。在其它参数都相同的试验条件下,进行了非稳腔镜的单脉冲输出对比试验,得到的最大输出能量为14 J,是原平凹稳定腔的70%,而光束发散角只是原平凹稳定腔的1/4。     

猫眼谐振腔氦氖激光器理论分析

猫眼逆向器作为谐振腔镜与一个凹面镜构成猫眼激光谐振腔.精确计算了三种猫眼逆向器(即理想猫眼逆向器和两种存在误差的猫眼逆向器)的逆向平行反射性，并对应用这三种猫眼逆向器的谐振腔中高斯光束的各项参数进行了深入分析，得出结论：对于高斯光束，凸透镜的焦距、凹面镜曲率半径、凸透镜与凹面镜间距三者相等的猫眼逆向器为理想逆向器，其逆向平行反射性最好，此时猫眼谐振腔处于理想状态，基模模体积最大，远场发散角最小，稳定性最好；在猫眼谐振腔的设计中，要尽量减小猫眼逆向器中凸透镜的焦距，增大凹面输出镜的曲率半径；猫眼逆向器存在误差时谐振腔的各项性能将受到影响.为猫眼谐振腔激光器的设计提供了理论依据.     

渥拉斯顿棱镜在不同方式组合下的光路特性分析

分析了具有相同结构角的两个渥拉斯顿棱镜在不同方式组合下的光路特性。给出了分束角与结构角的关系表达式,同时也给出了分束角与结构角的关系曲线。使用He Ne激光器(波长λ=633nm)对两个结构角S=27°的渥拉斯顿棱镜在四种不同组合方式下的光路进行了测试。结果表明,测试结果与理论计算完全相符。     

非均匀增益对激光模式的影响

利用快速傅里叶变换(FFT)法对有正支共焦非稳腔、流动增益介质的化学氧碘激光器(COIL)与二氧化碳激光器的模场进行了数值模拟,在此基础上分析了介质的非均匀增益对激光模式的影响,为新的腔型设计和光束质量的改善提供了依据..