高斯反射镜及其倾斜对平凹腔激光场分布的影响

 从菲涅尔-基尔霍夫衍射积分公式出发，运用边界元法数值计算了平凹腔平面镜均匀反射率时倾斜和未倾斜情况下基模的场强分布、相位分布和本征值，同时与高斯反射率平面镜在腔镜倾斜时的情况做了比较。研究表明，腔镜倾斜使激光场模式分布沿发生倾斜的方向向镜边缘偏移，而且在腔镜倾斜较严重时模式分布发生畸变，不再是对称的高斯分布，基模本征值随倾斜角增大而变小，光束远场分布变差。同等条件下，高斯反射率平凹腔腔镜倾斜对谐振腔引起的模畸变小于均匀反射率平凹腔，且基模光场及本征值随镜倾斜的变化关系稍不同于均匀反射率平凹腔。     

圆形高斯镜平凹腔腔内外激光场研究

运用边界元素法把圆形高斯镜平凹腔的自再现模的衍射积分方程转化为有限阶矩阵方程。计算了圆形高斯镜取不同反射率膜斑半径和中心振幅反射率情况下基模的场强分布、相位分布和本征值。研究表明:腔内光场分布半径随反射率膜斑半径的减小而增大,中心振幅反射率不影响光场分布半径;反射率膜斑半径影响远场分布,当其数值较小时,在光束的远场分布主峰周围产生弱衍射环;当高斯镜中心全反射时,远场分布随反射率膜斑半径的变化无明显变化;模式本征值随反射率膜斑半径的增大而增大。     

圆形高斯镜平凹腔腔镜变形时激光模场分析

把圆形高斯镜平凹腔自再现模的衍射积分方程转化为有限阶的矩阵方程,在平面输出镜呈高斯分布的镜面变形时,数值计算了激光场模式的场强、相位分布和模式本征值。结果表明,当变形量较小时,随着变形量的增加,镜面上光场的分布范围增大,也就说明模体积增大,但镜面光场仍保持拉盖尔-高斯光束基模特征,相位由平面慢慢变得凸起,远场分布变化不明显。当变形量较大时,光场分布开始发生畸变。从模式本征值的变化看,在一定的变形范围内,本征值下降不多,说明较小的变形量对激光损耗影响不大,仍能使激光较稳定输出。在圆形高斯镜平凹腔输出镜发生不大的高斯状变形的情况下,仍有维持输出高质量激光束的能力。     

腔镜倾斜对平面环形腔激光振荡模式的影响

从Fox-Li迭代法出发,用光学仿真软件GLAD实现了对平面环形腔的建模。利用此光学模型进行了腔镜倾斜对其本征模式影响的研究,给出了腔镜在两个方向不同倾斜角度下的谐振腔模式光强分布、光强峰值点位置及谐振腔损耗的变化。研究结果表明:腔镜倾斜使平面环形腔模式发生畸变,随着腔面倾斜加大,腔损耗增大,光强峰值点向镜边沿偏移,且腔镜在垂直于腔面方向上的倾斜对振荡模式的影响比腔镜在腔面内的倾斜对振荡模式的影响大。     

高功率激光器腔镜热变形对输出光束质量的影响

利用有限元分析法结合Fox-Li迭代法,考虑腔内本征模式与腔镜热形变的相互耦合作用,计算模拟了正支共焦非稳腔的本征模式分布,定量分析了高功率激光器腔镜热变形对输出光束质量的影响,重点讨论了腔镜热变形所引起的腔内本征模式相位特性的变化,并从波前功率谱密度、Zernike像差系数及光束质量值等角度对腔镜发生热形变前后的激光器输出光束的光束特性进行比较分析。研究结果表明:高功率激光器腔镜热形变对输出光束的光束质量会产生一定的影响,且随着激光输出功率的增大,镜面热形变引起的输出光束波前相位高频比例及Zernike高阶像差均会有所增大,波前畸变程度也明显变大,光束质量逐渐变差。     

高斯反射率输出镜改善光束质量的实验研究

非稳腔能产生大体积基模,具有好的空间选模特性,但在固体调Q激光器中,由于孔径光阑和热畸变的影响,非稳腔输出的横模并不光滑.使用高斯反射率耦合输出镜可较好地改善其输出光束质量,设计了平-凸非稳腔,使用Nd:YAG,电光调Q固体激光器进行实验,获得了较为平滑的远场光强分布,实验结果表明高斯反射率输出镜可较好地改善固体激光器中非稳腔输出光束质量.     

四极子微腔的光场分布

应用电磁场理论和介质中的麦克斯韦方程组,推导了任意截面微腔的TM模光场分布。并以四极子状微腔截面为例,推导了含有传播常数的本征方程。用Mathematica软件模拟出具有不同变形因子的基模(m=1)和高阶模的光场分布图,得出基模在=45°,135°,225°,315°四个方向光辐射最强,具有“蝴蝶结模式”特征,并且当变形因子值取ε′为0.1~0.15时,该效应表现得更明显;而高阶模(m≥2)时微腔中没有这种光的定向输出现象,在任何变形因子情况下也不能形成稳定的“蝴蝶结模式”,为四极子微腔激光器的设计和制作提供了一定的理论依据。     

高反射腔镜双折射效应对腔增强光谱技术的影响

在吸收光谱技术中,使用光学腔增长激光与气体介质的作用路径,可提升探测灵敏度.然而,高反射率腔镜会存在双折射效应,导致光学腔产生两个本征偏振态,入射光在两个偏振方向相移的不同会导致腔模的分裂,会引起腔增强光谱信号以及腔衰荡光谱信号的扭曲.本文观测到了双折射效应下腔增强信号的频率分裂现象,并给出了函数模型,拟合结果表明其可以准确得到透射腔模中不同偏振光的比例.根据上述比例,可给出考虑不同耦合效率、双折射效应下的腔衰荡信号模型,实验结果表明相较于传统e指数模型,本文模型可更精确描述腔衰荡信号,得到拟合残差的标准偏差最大抑制了9倍.该分析有利于改善腔衰荡信号信噪比和不确定性,提升其浓度反演准确度.     

高能量密度激光器腔镜有限元分析

 通过对高能量密度激光器运行过程中腔镜存在的表面及背面吸收热量的有限元分析,得出腔镜表面在不同吸收热流密度和约束条件条件下热变形分布。指出提高腔镜反射率,改变腔镜的基底材料以及优化腔镜的约束条件是显著降低腔镜反射面变形的有效途径。     

腔增强吸收光谱技术中的腔镜反射率标定方法研究

腔增强吸收光谱技术具有实验装置相对简单、灵敏度高、环境适应性强等特点,是高灵敏吸收光谱技术的重要分支之一,在其应用过程中,腔镜反射率是影响其测量准确性的重要因素。利用2.0 μm可调谐二极管激光器作为光源搭建了一套腔增强吸收光谱测量系统,使用两片反射率为99.9%的高反镜作为腔镜,以CO₂气体在5 001.49 cm-1处的吸收谱线作为研究目标,对两种简单实用的腔镜反射率标定方法进行了对比研究。第一种标定方法利用已知程长多通池作为参考池,通过测量谐振腔和多通参考池的输出吸收信号,比较二者的吸收率推导出腔增强系统中的有效吸收路径,然后通过镜片反射率和有效吸收路径的关系对腔镜反射率进行标定;第二种标定方法根据理想气体状态方程得到气体分子数密度,并结合数据库中的谱线线强值,实现了对腔镜反射率进行标定。结果表明,方法一中积分腔与参考池测得信号的积分吸收面积之比为10.5,经过多次测量并计算得到积分腔的有效吸收路径与镜片的反射率分别为302.65 m和99.85%,得到大气中CO₂气体的浓度为0.037 3%,与实际大气CO₂的含量相符合,验证了此方法的准确性;该方法的优点是不受样品浓度影响,但因引入新的参考池,需要两池中气体的压强和温度都保持一致,此方法适用于开放式的腔体结构。方法二中测得大气中CO₂分子位于5 001.49 cm-1处吸收光谱,并结合大气中CO₂气体的分子数密度N为9.099×1015 molecule·cm-3,Hitran数据库中该条谱线线强为3.902×10-22 cm·molecule-1,计算得到镜片反射率约为99.84%;此方法优点是结构相较前一种方法更简单,但需要已知被测气体的分子数密度,因此在配置气体的过程中浓度、压力的误差会影响腔镜反射率的标定。由此可见两种镜片标定方法均可精确实现对腔镜反射率的标定,根据两种方法的特点,在实际应用中可选取相应适合的方法作为参考。     

新型傅里叶变换光谱仪反射镜倾斜容限分析及实验

采用微机电系统微镜阵列和倾斜反射镜替代传统傅里叶变换光谱仪的动镜系统,提出一种基于微机电系统微镜阵列的新型傅里叶变换光谱仪.介绍了该光谱仪的工作原理,分析了倾斜反射镜倾斜角度的容限范围,并搭建了实验系统,进行了实验验证.理论推导表明:在近红外区域,反射镜倾角理论最大值为0.52°,光谱分辨率达到8 nm;在可见光区域,反射镜倾角理论最大值0.183°,光谱分辨率达到3 nm.选取可见光源488 nm激光器进行的实验验证结果表明:在倾角容限范围之内,光谱能准确还原;反之,光谱严重失真.最终,采用复色光源进一步实验验证了理论分析的正确性.     

大型离轴三反空间相机前框架优化设计与试验

为了保证某离轴三反光学系统空间相机光机结构的高稳定性与高准确度,针对该光学系统中次镜、折叠镜组件轴向空间位置接近的特点,设计了次镜、折叠镜组件一体化的前框架结构,并提出了一种结合了自由模态与约束模态的拓扑优化方法来优化相机的前框架结构.将优化后的前框架模型带入整个相机,并对整机进行有限元分析.结果表明,光轴呈水平状态,次镜、折叠镜相对主镜的倾斜分别为9″与22.4″,次镜相对于主镜的偏心为0.021mm,均在光学系统公差要求范围内.此外,对前框架结构进行自由模态分析与试验,结果验证了优化方法的正确性.所提出的拓扑优化方法可以有效避免基于约束模态拓扑优化方法约束点之间不存在联系的缺陷,能够为高分辨、宽视场空间相机光机结构的设计提供参考.     

倾斜相差对激光相干合成影响的仿真分析

根据夫琅和费衍射理论,建立了四路激光相干合成模型,研究了不同占空比条件下倾斜相差对激光相干合成效果的影响。通过欧拉旋转变换,将各子光束的倾斜角度转换成相应的倾斜相差引入到光束合成模型中。仿真计算了不同占空比、不同倾斜角度情况下合成光束在远场的光强分布,分析了占空比、倾斜角度对远场光强分布的影响。仿真结果表明,随着子光束倾斜角度的增大,远场艾里斑内的光强逐渐减小,合成效果变差。仿真计算了不同占空比条件下桶中功率(PIB)和β因子随倾斜角度的变化关系。仿真结果表明,随着子光束倾斜角度的增大,PIB和β因子两个评价指标均逐渐变差。为了达到一定的评价指标要求,必须利用快反镜等校正器件将各子光束的倾斜角度减小到一定的范围之内。     

Demonstration for a two-axis interferometric tilt sensor in KAGRA

Recently, a folded Mach–Zehnder interferometer with homodyne in- and quadrature-phase detection was proposed as a high-precision, wide-dynamic range tilt sensor. By way of a practical application and to validate actual performance, two-axis tilt sensors were developed and installed for one mirror of the input mode cleaner cavity in KAGRA, the large-scale cryogenic gravitational-wave telescope in Kamioka, Gifu, Japan. Building on previous work, we have demonstrated that the two-axis tilt sensor has properly sensed the tilt angle changes of the mirror motion with high precision and without calibration. Compared with our initial angular sensor, an optical lever, which is calibrated by using the interferometer tilt sensor, we found that both sensors showed actual tilt motions of the mirror at low frequencies, and the two-axis interferometer sensor has a better sensitivity at higher frequencies.     

某空间望远镜相关跟踪系统摆镜随机振动分析

介绍了基础激励下机构随机振动响应的理论与分析方法.利用有限元分析软件ANSYS建立了某空间望远镜相关跟踪系统摆镜的有限元模型,并进行了随机振动响应分析.通过分析考察了其承受动力学环境的能力.对计算结果进行了分析.指出了现有结构中的薄弱环节,提出了改进方案,为摆镜的设计提供了重要参考依据.     

等光强分布的折平板反射聚光系统的实验研究

基于平板玻璃镜反射聚光获得等光强分布的方法,提出了折平板反射聚光太阳能系统的设计方案。推导了平行光聚光公式,可在给定接收截面宽度、倾角和安装高度时,给出一定聚光比所需的反射板数量、宽度、倾角及坐标位置;建立了CCD法测量能流密度分布的测试平台以及聚光光伏实验装置,并对折平板聚光系统进行了实验研究。结果表明,折平板玻璃镜聚光系统可以得到较为均匀的辐射能流密度,并且系统的发电效率也较高。     

某空间望远镜相关跟踪系统摆镜随机振动分析

介绍了基础激励下机构随机振动响应的理论与分析方法.利用有限元分析软件ANSYS建立了某空间望远镜相关跟踪系统摆镜的有限元模型,并进行了随机振动响应分析.通过分析考察了其承受动力学环境的能力.对计算结果进行了分析.指出了现有结构中的薄弱环节,提出了改进方案,为摆镜的设计提供了重要参考依据.