高功率准分子激光主振荡功率放大系统光学元件的稳定性

为了分析高功率准分子激光主振荡功率放大(MOPA)系统中各光学元件稳定性对靶面光斑定位精度的影响,建立了分析模型,利用分析结果指导高稳定性镜架设计以满足系统实验需求。根据高功率准分子激光MOPA系统特点,有效地简化了系统光路,建立了系统光路模型;按照系统打靶精度要求,利用三维坐标变换和光线追迹法,计算得到了系统单个光学元件稳定性对靶面光斑定位精度的影响规律;最后,对自行设计的镜架进行了稳定性测量。计算结果表明,反射镜的旋转变化和透镜垂直光轴的平移变化是影响靶面光斑定位精度的主要因素,且主放大光路中反射镜在X方向和Y方向上最大的变化范围分别不能超过0.8和1.6μrad。实际测量结果表明,设计的镜架在X方向和Y方向最大的变化范围分别为0.6和0.81μrad,满足系统实验要求。     

高功率准分子激光系统光束指向稳定性模拟

 根据高功率准分子激光主振荡器功率放大系统像传递结构特点,利用LABVIEW与MATLAB相结合设计了靶面光斑重心的稳定性模拟仿真及分析软件。对光学元件稳定性测量结果和光学元件误差分配结果进行模拟仿真和验证,经过多次再分配实现了系统误差分配的最优化。数据表明,现有实验室条件下,靶面光斑重心稳定性尚不能满足要求;在保持低稳定性指标要求光学元件一定裕量前提下,高稳定性要求光学元件的最优化分配指标为1.7 μrad;实验室现有光学元件在工作条件下能够满足该优化分配指标,在一定程度上减小了对光学元件的结构要求。     

基于光斑形状光束快速自动准直算法

为满足高功率激光装置光路自动准直系统的高精度要求,提出一种光束非垂直过孔状态下椭圆光斑的光斑差值快速调节法,并引入局部自适应阈值二值化算法提高准直图像的定位精度.当椭圆光斑长短轴差值较大时,利用基于最小二乘法的椭圆拟合改进算法,求出椭圆光斑长短轴的轴长,通过远场反射镜调节长短轴轴长差值以调节光斑形状,直到获得规则的圆形光斑.分析了圆光斑中心与基准位置的偏差值,将差值转为闭环控制的步进电机调整步数,实现了高功率激光装置光束的快速自准直.该算法应用在某高功率激光装置光路自动准直系统中,结果表明,远场指向精度优于0.033″,优于目前高功率激光准直系统准直效果,提高了激光光束的指向性精度.     

高能激光系统内光路热效应建模与仿真

高能激光系统内光路热效应是影响系统性能的重要因素,介绍了内光路中光学元件、介质气体热效应物理模型,分析了影响热效应的主要因素,并开展了热效应变化规律研究。针对光学元件,重点研究了元件吸收率、元件材料特性、光斑分布对反射镜、窗口镜、分光镜热像差的影响规律,指出吸收率主要影响热像差的大小,而元件基底材料特性和激光分布影响热像差时间和空间变化。针对介质气体,指出介质气体升温后重力引起的自然对流是影响气体热像差的主要物理因素,细致研究了热像差随时间的变化规律,介绍了降低封闭与开放式内光路介质气体热像差的措施与方法。介绍了激光仿真软件平台Easylaser多物理仿真模块,搭建了包含反射镜、窗口镜、分光镜和介质气体的内光路计算模型,通过光-热-力-控多物理耦合仿真,研究了反射镜与窗口镜、介质气体与窗口镜热像差补偿效应,给出了激光传输远场光斑特征,表明了Easylaser的多物理仿真模块具备对内光路热效应综合仿真分析能力。     

高功率激光光束的自准直算法

为满足高功率激光装置全程光路自动准直快速性及高精度的要求,提出了一种光斑对应椭圆的长短轴差值法对光斑形状调节,并结合重心法快速、高精度的获取光斑图像中心位置.利用大律法、3×3邻域法及8向链码法对光斑图像进行处理,得到面积最大的光斑;分析最大光斑区域中心距,求出最大光斑对应椭圆的长短轴长,并根据长短轴差值调节光斑形状,至长短轴差值近似为零,获得形状最规则的光斑;分析形状最规则光斑的中心位置与其基准位置在x和y方向的偏差,并将该差值转为闭环控制的步进电机所需要调整的步数,实现激光光束的自准直.该算法应用在高功率激光装置中,结果表明,主放大光路的准直时间缩短为15min,近场准直的准确度优于0.2%,远场指向准确度优于1μrad,满足高功率激光光束的准直要求.     

光束指向稳定性高精度检测方法研究北大核心CSCD

光束指向稳定性是高能激光应用研究中的一项关键指标,光束指向稳定性的检测是高能激光系统性能实现的重要环节。以长焦距聚焦反射镜与高分辨率CCD(charge coupled device)为主要元件,构建高精度的光束指向检测装置。采用灰度重心法定位光斑中心,并以理想光斑与实测光斑为例进行验证,误差小于1个像元。利用CCD高频采样,统计单位时间内光斑中心位移,获得光束指向稳定性指标,检测实例精度可达1.25μrad。该方法简便易行,测量精度高,适用于各种波长的激光光束指向检测以及其他相关参数的测量。     

全息照相实验的改进

组成全息照相的光路，一般都是用分束镜、反射镜和扩束镜等光学元件．这些光学元件易受损伤，且价格也较昂贵，因而普遍开设实验扩大实验内容就受到一定限制．我们提出用光纤构成的全息照相系统见图1．该系统是用一根Y形光纤取代所有的光学元件组成的．激光由Y形光纤一端直接耦     

天光一号打靶聚焦系统的研制

 介绍了在天光一号MOPA光学角多路系统中，将6束KrF准分子激光引入靶室的方法以及聚焦系统的研制。用紫外CCD相机测得6束激光聚到平面靶上的焦斑直径为290μm，靶上的功率密度达到8×10¹² W/cm²。     

二次成像型库德式激光通信终端粗跟踪技术

库德式激光通信终端粗跟踪探测器大视场接收信标光时,需通过望远单元、多块库德反射镜、分光片和粗跟踪透镜组,信标光传输路径长,使得后续子光路粗跟踪支路口径明显增加;捕获时望远单元和库德反射镜与粗跟踪探测器存在相对运动,信标光传递环节多,跟踪模型复杂。针对这两个问题,首先,对比了3种传统库德光路,选择二次成像型库德光路并对其进行设计,通过设计使后续子光路光学口径减小,利于后续子光路轻小型化设计;随后,对二次成像型库德式激光通信终端的跟踪模型进行推导,通过反射镜矩阵和坐标变换建立跟踪模型,并用Matlab-Simulink对跟踪模型进行仿真;最后,通过地面试验,对终端的跟踪性能进行测试,实测方位跟踪最大脱靶量为84.65μrad(3σ)、俯仰最大脱靶量为56.33μrad(3σ),满足通信要求的150μrad(3σ),二次成像型库德结构和跟踪模型可满足星间激光通信粗跟踪捕获和跟踪要求。     

高功率准分子激光系统光学设计

 回顾并介绍了高功率准分子激光系统设计中需要综合考虑的两项主要技术——像传递技术和角多路技术。讨论了照明方式和激光振荡源的光束整形在激光系统成像光路设计中的重要作用,对多路放大技术及角多路放大技术形式进行了系统分析。多路激光非相干合束是角多路技术和成像技术对高功率准分子激光系统光学设计提出的特殊要求,在简要分析了透射阵列和反射式望远物镜两种实现多路激光合束的打靶光学系统基础上,提出了一种利用反射式打靶光学系统和一套光学延迟线阵列来同时实现角多路编码和解码的新型光路布局,给出了初步设计方案。     

High power diode-side-pumped 1 112-nm Nd:YAG laser based on master-oscillator power-amplifier system

We demonstrate a high power high beam quality diode-pumped 1 112-nm Nd：YAG master-oscillator power-amplifier （MOPA） laser system. To increase the extraction efficiency and output power, a four-pass amplifier scheme is employed. Finally, the injected laser output power is amplified from 26 to 64 W with beam quality factor M2=2.85. Furthermore, a theoretical model that takes the temporal overlap inversion number dynamics into account is employed to analyze the performance of the MOPA laser system, and a good agreement with the experimental data is obtained.     

Design of the Seed Source for High Power KrF Excimer Laser System

１ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎＥｘｃｉｍｅｒｌａｓｅｒｓａｒｅｔｈｅｐｕｌｓｅｄｇａｓｌａｓｅｒｗｈｉｃｈｏｐｅｒａｔｅａｔａｎｕｍｂｅｒｏｆｆｉｘｅｄｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｓｉｎｔｈｅｒｅｇｉｏｎｏｆｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ．Ｈｏｗｅｖｅｒ,ｉｔｓｐｕｌｓ...     

Modeling of an alkali vapor laser MOPA system

A physical model is established to describe the kinetic processes and the laser amplification in an alkali vapor laser MOPA system. The good agreement between the simulation and the experiment result shows the validation of the model. Influences of some parameters such as the working temperature, the pump power and the cell length on the output performance are calculated and analyzed. A better set of working parameters is achieved for improving the output characteristics of an optically pumped alkali laser MOPA system.     

高对比度紫外电光削波开关

采用电光开关产生短脉冲的技术,建立了一种抑制准分子激光放大链自发辐射放大(ASE)的方法,研制了高对比度紫外电光削波开关,并进行了原理性实验,将其应用于准分子单路主振荡功率放大系统第一级预放大器的ASE控制。实验中电光开关对比度达到了2000多,削波后的预放大器输出激光脉冲信号对比度提高至20 000多,有利于激光信号后续进一步高保真放大,为系统获得窄脉冲输出提供了技术支持。     

1μm全光纤MOPA结构激光器输出特性研究

主振荡功率放大（main oscillation power amplification, MOPA）结构由于其光束质量良好和参数可调的优点,已成为高功率光纤激光器的主流设计之一。为了改善高功率掺镱光纤激光器（ytterbium-doped fiber laser, YDFL）的输出性能,提高系统的光-光转换效率,文中报道了一台基于915 nm泵浦激光器和双包层掺镱光纤（ytterbium-doped fiber, YDF）的MOPA结构全光纤高功率激光器。该高功率光纤激光器由电调制激光二极管（laser diode, LD）泵浦的种子激光器和掺镱光纤放大器（ytterbium-doped fiber amplifier, YDFA）组成。连续光（continuous wave, CW）工作模式下,激光种子源经过YDFA后,实现了中心波长为1 069.96 nm的激光输出,最大平均输出功率可达945.9 W,MOPA激光器整机的斜率效率高达74.12%,具有良好的稳健性。该研究方案对研制高功率MOPA光纤激光器具有参考意义。     

10 W级主控振荡放大半导体激光芯片封装实验研究

结温升高是影响主控振荡放大(MOPA)半导体激光芯片输出功率的重要因素,为解决MOPA芯片的多电极封装和高效散热问题,提出了一种正装和热扩散辅助次热沉相结合的封装结构。建立了该封装结构的3D热模型,对比研究了倒装封装结构、正装无辅助次热沉结构与正装有辅助次热沉结构对MOPA半导体激光器结温的影响。计算结果表明,采用正装有辅助次热沉结构与倒装封装结构散热性能接近,且显著优于正装无辅助次热沉结构,结温降低幅度最高可达40%。另外,采用正装有辅助次热沉封装结构的MOPA半导体激光芯片在连续工作条件下输出功率为10.5 W,谱宽可实现半高全宽小于0.1 nm,中心波长随电流的变化约14 pm/A,实现了10 W级MOPA芯片的封装,验证了该封装结构的有效性。     

Performance of a CW pumped Nd:YVO4 amplifier with kHz pulses

Until recently, simple and reliable high repetition-rate laser sources with nanosecond pulses much shorter than from conventional A-O Q-switch lasers were not available. However over the past 2 years we have developed such lasers based on proprietary fast E-O switching technology, which allows designs delivering 1 ns pulses and subnanosecond jitter for good synchronisation. The technology provides pulses with multi-kW peak power and repetition-rates to >100 kHz.Most recently, the performance of these short pulse lasers has been developed further by implementing oscillator/amplifier (master oscillator and power amplifier, MOPA) technology which increases the output to >1 W average power. Here we report on a simple model that has been used to predict the performance of the CW pumped Nd:YVO₄ amplifier used in the MOPA laser. The model is based on the well-known expressions for the saturated gain applying to laser pulses, but more usually applied to pulse-excited amplifiers. The model is shown to allow a good interpretation of the amplifier behaviour for kHz pulses and to be a useful tool for predicting the performance of the MOPA laser.     

An alternative approach for microlithography light source

A hybrid master oscillator–power amplifier (hybrid MOPA) scheme is proposed as a microlithography light source. The seed pulses are generated in the visible spectral range—where the necessary spectral purity is more easily achieved—and after frequency conversion are amplified in an excimer amplifier. The new concept enables us to decrease the bandwidth considerably, approaching the theoretical limit posed by the uncertainty relation. The feasibility of the new approach is demonstrated by a dye/excimer MOPA system, generating deep ultraviolet DUV (248-nm) pulses of 0.2-pm bandwidth.