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。     

100MeV质子双环双散射体扩束方案设计

为满足质子单粒子效应实验对大面积、均匀化质子束流的需求,针对中国原子能科学研究院100 MeV质子回旋加速器提供的100 MeV质子进行了双环双散射体扩束方案设计.Geant4模拟表明该方案可在2.4 m位置产生一个均匀性为±1.89%、半径为8 cm的照射野,在5 m位置产生一个均匀性为±5.32%、半径为20 cm的照射野.此外,利用Geant4对双环双散射体扩束方法的基本原理进行了进一步探索,并对第二散射体后加速器管道、初始束斑尺寸、照射野形成距离、改变入射质子能量等实际中各种可能因素对该方案扩束效果的影响进行了讨论.     

离轴格里高利系统中失调对远场时空特性影响

扩束是超高峰值功率激光装置中必不可少的一环,由离轴抛物面镜组成的反射式扩束系统可解决传统透射式扩束带来的色散、色差及激光脉冲前沿畸变等问题.利用光线追迹法和惠更斯-菲涅耳原理对反射式扩束和聚焦过程进行分析,计算了在反射式扩束系统参数不同时,离轴抛物面镜失调对激光脉冲远场时空特性的影响,给出了激光脉冲斯特列尔比和峰值强度的误差允许范围.     

束测误差对阻尼系统的影响

讨论了束测误差对阻尼系统工作状况的影响．结果表明，束测误差将减低阻尼效果，增大为达到一定的阻尼速度所需阻尼系统功率，并导致闭轨畸变．给出了计算有关效应的公式．     

提高深紫外光刻照明系统扩束单元光束均匀性的方法

在曝光线宽为90nm节点的投影光刻机照明系统中,针对准分子激光光源扩束后出射光束均匀性较差的问题,用高斯光束边缘叠加能够提高均匀性的原理对反射式扩束单元进行了分析。结果表明,平行反射式扩束单元出射光束之间叠加尺寸与反射板某区域透射率存在矛盾,制约了照明光束均匀性的提高。为此,提出了非平行反射扩束镜组,推导了出射光束尺寸、叠加子光束个数与两反射镜楔角之间的关系式,确定了楔角的取值范围和扩束单元的结构形式。通过建模分析,验证了设计的扩束单元在实现光束一维扩束的同时,不仅减小了叠加光束的干涉散斑效应,还提高了光束均匀性。     

深紫外光刻照明系统扩束单元设计

在曝光线宽为90nm的投影光刻机中,准分子激光光源发出的矩形截面光束,需要进行一维扩束,以获得光束整形单元所需的正方形截面分布。现有的这类扩束单元分别存在严重的相干散斑效应和严格的装调公差等不足。基于此,提出了多组元平行反射扩束镜组。通过求解各组元透射率值的线性方程组,得到若干种扩束单元结构,其中的四组元扩束单元每个组元只有一种透射率,有效降低了镀膜的工艺成本。分别从公差分析、系统透射率和出射光束均匀性等方面对各类扩束单元结构进行综合比较,并通过建模仿真,验证了设计的四组元扩束单元的散斑效应和装调公差灵敏度都明显降低,而且出射光束较均匀,有利于提高照明均匀性。     

高能激光大气传输的仿真实验研究

 对高能激光在大气中传输时产生的热晕效应及其相位补偿进行了室内仿真实验测量,获得了自适应光学系统开闭环时用来衡量光束传输效果参量（如远场的光斑图像、质心漂移、二阶矩半径、及Strehl比等）。结果表明,Bradley-Hermann热畸变参数在300范围内,自适应光学系统相位补偿效果显著,Strehl比基本大于0.4。然而随着热畸变效应的进一步加强,出现相位补偿不稳定性现象,补偿效果变差。另外,对自适应光学系统开闭环时的实验结果分别与薄透镜近似分析理论及几何光学近似理论作了比较。比较结果表明:薄透镜近似理论与未补偿时的实验结果吻合较好,而几何光学近似理论与补偿后的实验结果存在较大的偏差。     

960线光谱合束光栅的热畸变分析

前期通过实验和理论研究了960线合束光栅在不同功率密度激光辐照下的表面热畸变及远场光束质量,认为基底受热膨胀是导致合束光栅面形质量和光束质量下降的主要原因,但没有对合束光栅表面热量沉积和远场光束质量如何改善进行分析。通过模型改进分析了合束光栅在不同辐照功率密度下的表面温度、热畸变以及远场光束质量的变化,而且计算分析了基底厚度对合束光栅表面温度、热畸变以及远场光束质量的影响,并得出结论:增加基底厚度有利于提高合束光栅的功率耐受性以及衍射光斑的远场光束质量。     

聚焦光束大气传输光束扩展定标规律的数值分析

选取多种典型激光传输条件下的计算参量，对平台光束聚焦大气传输湍流热晕相互作用引起的光束扩展进行了数值分析.热畸变的产生是在快速变化的湍流扩束作用之后，在此假定的基础上，建立了描述聚焦光束大气传输光束扩展与大气传输特征物理参量的定标关系.在了解激光发射系统的特征参量和大气传输效应的特征参量之后，即可由定标关系迅速判断激光大气传输的效果，从而为激光工程系统的参量优化设计及其应用效能评估提供依据. 关键词： 湍流效应 热晕效应 光束扩展 定标规律     

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。     

黑腔中高斯型激光束偏折的模拟研究

利用三维激光等离子体相互作用流体程序LAP3D数值模拟研究了高斯光束在均匀等离子体传播过程中的激光束偏折现象,分别考察了激光强度变化和等离子体横向流的流速变化对束偏折的影响。模拟结果表明:当流速接近离子声速时,激光束偏折效应最明显,此时激光偏折程度与激光强度成正比;当流速逐渐小于离子声速时,激光束偏折行为受抑制逐渐减弱;而当流速逐渐大于离子声速时,激光光强包络的变化以衍射效应为主。     

质子初始位置对激光平面靶相互作用加速质子的影响(英)

为了更细致地理解鞘场质子加速机制,应用2维数值模拟程序Flips2D研究了质子的初始位置对加速以后质子束特性的影响。数值模拟结果表明:质子的初始位置对质子束特性的影响非常明显。质子的出射角与其在横向的初始位置有关,初始位置离激光轴越远,其出射角越大。     

能量啁啾电子束自由电子激光放大啁啾脉冲

 提出采用具有能量啁啾电子束的自由电子激光放大器放大啁啾脉冲,分析说明了它的工作机理和滑移现象对其的影响。采用研制的1维非定态程序GOFEL-P,对能量啁啾自由电子激光放大器放大啁啾脉冲的过程进行了数值模拟和分析,计算了不同啁啾参数的脉冲被放大后的腔外压缩情况。结果表明：与单能电子束时相比,能量啁啾自由电子激光可以放大具有更大啁啾参数的啁啾脉冲,使压缩后的脉冲峰值功率增大至568 GW,脉冲宽度缩短至2.29 fs,大幅增强自由电子激光放大啁啾脉冲以及腔外压缩脉冲的效果。     

多程激光放大系统光传输程序的改进和校核

 报道了高功率激光多程放大系统光束传输程序的改进。在该程序中全面考虑了影响激光传输和放大的诸多重要因素。给出典型的计算实例,并用劳仑兹·利弗莫尔国家实验室的实验和模拟数据对程序进行了系统校核,证实了该改进程序的正确性和优点。     

Central region design for a 10 MeV internal ion source cyclotron

Internal ion sources are widely adopted in commercial cyclotrons used for short-life isotopes produc-tion. Without beam manipulation provided by the external beam injection line, the central region of this type of cyclotron is more sensitive and should be carefully designed. A design study and beam dynamics simulation for the central region of a 10 MeV compact cyclotron is presented. The OPERA3D/TOSCA code was used to calculate the electric field from a parameterized three dimensional (3D) central region model. With iterative structure optimizations of the central region, the beam centering and vertical focusing is well controlled, and the RF phase acceptance is around 25° A c++ code for beam simulation in the central region was developed and tested.     

kW级主振荡功率放大光纤激光器输出特性

分析了kW级光纤激光器实现单模激光输出的模式控制方式。采用主振荡功率放大方式,实现了工作波长1.08 m、最大输出功率1.05 kW的全光纤单模激光输出。对激光光谱和光束质量随激光功率的变化等输出特性进行了研究,结果表明:随着激光功率的增大中心波长和光束质量无变化,但谱宽逐渐展宽。分析了激光光谱展宽的原因,认为随着激光功率的增大,光栅纤芯的折射率变化增大,引起本振级的谱宽展宽,而本振级因谱宽展宽引入的噪声在放大级被放大,再加上放大级本身引入的自发辐射,共同造成放大级的谱宽展宽。对光束质量变差的原因进行了分析,认为光纤弯曲导致原先在纤芯中传输的激光部分被泄露到包层中,从而使光束质量变差。     

Picosecond laser ablation of high-quality micro-grooves on CIGS (CuIn(1-x)Ga2Se x ) thin films

ABSTRACT

This paper presents a study of the effects of ablation direction, beam profile and outer environment on the width and morphology of micro-grooves ablated by a 10-ps, 532-nm laser with a changing range of fluences and scan speeds on 600?nm-thick CIGS (CuIn_(1-x)Ga₂Se _x ) thin films. Experiments show that rear-side ablation by picosecond laser with a flat top beam in water environment yields a larger groove width than normal front-side ablation with a Gaussian beam in air, which is attributed to different material removal mechanisms, uniform energy distribution and the refraction of laser in water. The heat-affected zone and irregular edges induced by the tearing effect are the main defects of groove morphology associated with front- and rear-side ablation processes, respectively. Our studies indicate that flat top beam ablation, in general, inhibits the over-ablation in the central region, thereby improving the uniformity of grooves, though it does not eliminate the heat-affected zone and irregularity of two edges. The straightness of groove edges is further improved with the flat top beam ablation carried out in a water environment, resulting from the action of the shock wave in water. Hence, the nearly perfect micro-grooves can be fabricated with rear-side flat top beam ablation under water, which are characterized by steep sidewalls, straight edges and intact glass substrate without cracks.     

高功率激光光束经颗粒污染后的近场衍射效应

采用高功率激光驱动器设计软件Laser designer数值研究了激光光束经颗粒污染后的近场衍射特性. 对颗粒污染所产生的调制进行了分类, 并详细分析了真空和石英玻璃中, 振幅调制型和位相调制型颗粒污染对光束近场的影响. 研究结果表明, 无论在真空或石英玻璃中, 位相型颗粒污染对高功率激光光束的近场调制影响较大. 且在石英玻璃中, 位相型硬边颗粒污染所引起的高功率激光光束小尺度自聚焦热像调制现象相当严重. 而由颗粒污染引起光束强区的横向偏移, 却在一定程度对小尺度自聚焦有抑制作用.     

非相干光纤组束激光的光束质量分析

为了提高非相干光纤组束激光的光束质量,对影响光束质量的诸参数进行了分析。理论分析和数值计算结果表明,离焦量ε、透镜焦距f、组束阵列宽度W以及由光栅引入的角偏移θ_B是影响组束激光光束质量的重要因素。提出了一种采用双光栅组束结构抑制角偏移θ_B的方法。该结构仅适用于远场发散角θ_0与θ_B量级相当的情况。