高功率脉冲激光的远场能量密度分布测试方法研究

在分析现有的激光远场能量密度分布测试方法的基础上提出了一种新的测试方法.采用激光束照射漫反射靶,CCD相机对靶上激光光斑成像并在靶面上布置能量计探头以获取能量抽样绝对值的方法进行激光束远场大气传输后空域分布测试.从基本组成、测试原理、试验结果等方面对新测试方法进行了分析研究,并通过采用532nm脉冲激光照射1Km外的漫反射靶的实验对新测试方法进行了可行性验证,获得了远场激光光斑的图像和能量抽样值.     

强激光远场光束质量参数的测试

 提出漫射红外成像-多点标校测量方法,用于测量强激光远场光束质量参数。在激光远场距离处设置漫反射靶板,用成像探测器摄取经靶面漫射的脉冲强激光光斑图像;在靶面中心处挖小孔,孔后放置能量探测器实时测量激光脉宽和峰值功率。同时对整个激光光斑图像进行能量定标,进而得出远场脉冲强激光的实际空间能量/功率分布、总能量,以及相应的光束质量参数。应用该测量方法,对高能TEA CO₂激光进行测量研究,测得其远场光束截面半径为80.2 mm,发散角为1.55 mrad。     

探测器阵列法测量激光远场光斑能量密度算法研究

针对靶场试验装备布局很难做到激光器与阵列面垂直的实际情况,分析了激光探测器阵列系统处理激光光斑能量密度算法的不足。根据激光束照射靶面的倾斜角,研究了激光束与每个探测器形成夹角的计算方法,并推导出了具体的余弦角计算公式,对激光光斑每一点的能量密度进行了相应的修正计算,通过试验应用,验证了该算法在激光远场光斑测量中能够有效提高光斑能量密度的处理精度。     

高能脉冲激光远场多参量测试系统设计

为研究高能脉冲激光远场光束质量,设计了一套激光远场多参量测试系统.首次将远场激光束的空间分布、脉冲波形和中心能量测试纳入到一个体系中.从总体设计、硬件构成、软件设计等三个方面对系统进行了阐述,重点介绍软件系统的实现过程.光束质量测试系统能够有效地获取远场激光的时空参数,为进一步进行远场激光性能评价奠定了基础.     

模块化大靶面高能激光靶斑仪

在强激光远场分布测试中，光斑直径大，功率和能量密度都很高，并且一般要求测试其强度分布随时间的变化，一般的功率计或能量计都不适用，往往采用高能激光靶斑仪测试激光强度分布随时间的变化。模块化大靶面高能激光靶斑仪（强快靶IV）是在总结已有的靶斑仪系统研制技术基础上，结合试验结果，经精心设计、研制的一套阵列测试设备。该测试设备具有探测单元多、靶面大、接收能量多、噪声低、信噪比高、集成度高、体积小、重量轻等一系列优点，为新一代阵列探测器。     

CCD摄像法测量激光远场光斑中图像校正和能量修正算法研究

介绍了CCD摄像法测量激光远场光斑的工作原理。依据CCD摄像机拍摄激光远场光斑的倾斜角度,在处理算法中利用透视投影原理,将采集光斑的畸变图像进行了校正;针对CCD摄像法摄取的漫反射激光光斑图像,构建了朗伯漫反射模型,利用朗伯修正算法将漫反射激光光斑的能量密度修正到直射激光光斑的能量密度,推导出了具体的修正计算公式。通过实际应用,验证了该算法在激光远场光斑测量中的有效性。     

环形孔径高斯光束的远场特性

 讨论了环形孔径高斯光束的远场光斑能量分布,并给出了拟合表达式。首先推导了光束没有抖动时远场光斑的光能分布表达式,然后研究了各种不同中心遮拦和不同光束截断比, 在有以及没有激光束抖动的情况下,对高斯光束的远场环围能量的分布变化的影响。     

用远场法研究自由旋气动窗口的光学特性

 采用He-Ne激光,对穿过自由旋气动窗口的远场聚焦光斑进行图象采集和数据处理,研究本气动窗口对透过其输出通道的激光束所带来的偏转和随机抖动现象,计算分析气动窗口对激光束发散特性的影响,定义和实验研究气动窗口的光束质量β因子。同时,分析讨论气动窗口对激光束远场聚焦光斑光强分布的影响,并提出气动窗口光束质量和气动窗口设计的进一步研究思路。     

强激光辐照下窗口材料靶传热及热应力破裂的解析分析

用有限Ｈａｎｋｅｌ积分变换法对轴对称强激光束辐照下平面薄靶（或薄膜）传热及热应力分布进行了解析推导，得到了随时间演变的温度场及相应的热应力场的解析解。对比有关实验，对强激光束辐照窗口材料（例如ＭｇＦ２晶体、Ｋ９玻璃）靶引起其脆性热应力破裂进行了分析，详细讨论了激光强度、激光－靶能量耦合系数、辐照时间及光斑尺寸等因素对靶的破坏的影响。     

卫星激光通信端机远场模拟及远场测试技术研究

卫星激光通信需要进行端机远场模拟及远场测试技术研究。在室内短距离模拟远场分布的测试系统中,可以采用透镜变换,在透镜焦平面处得到远场分布。实际测试时引入点光源及平面反射镜,保证焦面位置确定的准确性。模拟卫星激光通信端机平行出射光的远场光斑,经实验检测,光斑第一、二、三级暗纹直径与远场光斑理论值比较的相对误差均小于5%。这表明,该方案可以准确模拟和测试端机远场。该研究工作对卫星激光通信捕捉概率的研究、通信研究、光链路功率的实测核准以及端机性能的整体评估有重要意义。     

高功率激光装置光束准直系统新型远场监测技术

利用高功率激光装置空间滤波器小孔成像和取样光栅的衍射,设计出一套新型光路远场监测方案,并且在实验平台上进行了实验验证.实验结果表明：相对传统的远场监测方法,该远场监测系统通过侧面离轴光栅取样灵活利用空间,其调整平均误差为空间滤波器小孔直径0.9%,能够满足准直系统远场调整精度(<小孔直径5%)的要求. 关键词： 激光技术 光束准直 光栅 远场     

高功率光纤激光的时间部分相干性对相干合成的影响

 将多个光纤激光器的输出光束进行相干合成是获得高功率、高光束质量激光的有效途径。利用准部分相干光(PPCB)模型，计算了高功率光纤激光器阵列发出的部分相干光在远场的能量分布，分析了激光的时间部分相干性对相干合成的影响。计算结果表明，随着单根激光器输出光束线宽的增大，远场光斑的图样基本保持不变，但峰值功率和Strehl比随之减小。对于采用的算例，要保证远场光斑的Strehl比大于0.8，单根光纤激光器的线宽不能超过5 nm。     

Output beam drift and deformation in high-power COIL

During the operation of a chemical oxygen iodine laser (COIL) with an unstable resonator of a large Fresnel number, as the output power increases, an instability of the output laser beam will appear, behaving mainly as far-field beam spot drift and deformation. In order to interpret this phenomenon, thermal expansion analysis on the scraper with finite element analysis method and a simulation of the output beam mode of this kind of laser by the method of Fast Fourier Transform were developed. From the experimental measurement and the calculation, we proposed that the presence of the nonuniform temperature distribution of scraper causes the front surface of the scraper to tilt and bulge due to thermal expansion. As the output power is increasing, all the mirror surfaces, especially the scraper's, will absorb more and more heat, causing thermal expansion of the mirror front surface to occur more seriously, thus resulting in the tilting and deformation of the far-field beam spot. The initial misalignment of the direction is also an important factor leading to the far-field beam spot drift and deformation.     

空间插值在功率谱密度计算中的应用

为了提高光学元件波前中频PSD计算的精度和有效频谱宽度,提出了填补波前无效数据的双线性插值法和抑制欠采样噪声的六采样点插值法。模拟计算和实验结果表明:双线性插值法有效地保证了填充数据与真实数据的一致性,抑制了零填充方法引入的虚假中高频信息,使得填补后的PSD与原始PSD较好地吻合;六采样点插值法有效地分离了信号和欠采样噪声,使得有效PSD频谱上限从1/2 Nyquist频率提高到Nyquist频率。     

高功率激光器的光谱合束技术研究北大核心CSCD

为了获得高功率激光束,提出利用双色镜对典型波长2种不同类型(脉冲、连续)的高能激光进行合束,以实现高功率高能量激光输出。通过对双色镜的热效应和合束光斑远场激光参数进行仿真分析计算,热效应仿真结果表明,在单束激光10 kW、光斑直径15 mm条件下,双色镜面型热形变量均方根值为0.004λ(λ=632.8 nm),满足光学元件面型小于0.03λ精度要求。搭建了一套基于双色镜的光谱合束系统,并分别进行了高功率连续激光与高功率连续激光、高功率连续激光与高能量脉冲激光的合束试验,合束效率高于95%。试验结果表明,光谱合束可有效应用于高能激光领域。     

氧碘化学激光器输出光斑漂移和变形研究

 通过对高能量密度氧碘化学激光器运行过程中存在的远场光斑漂移和变形实验现象的分析和测量,得出在高能量密度激光系统中谐振腔的各反射镜的同心度对远场输出光斑的漂移和变形影响很大。指出提高谐振腔内各反射镜在大气中的同心度及降低在激光系统抽真空过程中光腔盒的不稳定程度, 是显著降低激光远场输出光斑漂移和变形的有效途径。     

固体激光器光束合成特性分析

光束合成是研制高功率、高光束质量固体激光器的必由途径.建立板条介质固体激光器阵列光束合成的理论模型,从子束间距、整体相位差、偏振态、随机像差等方面,分析了合成光束的远场特性.通过数值模拟可以看到,子束间距决定了合成光束远场光斑的衍射旁瓣的大小和多少;子束间整体相位差决定着合成光束远场中心光斑是否分离,并影响着峰值光强和...     

利用光斑图像特征确定飞秒激光有效烧蚀焦距

为确定飞秒激光光束对微尺度结构的烧蚀深度,研究了给定功率条件下对应的激光束有效烧蚀焦距。提出采用激光焦点处获得的烧痕阵列图像及在离焦状态下提取烧痕图像特征,通过分析图像特征与离焦距离,获得激光束有效烧蚀焦距范围的方法。在激光束焦点附近的硅晶片表面烧蚀出斑痕阵列,向下逐渐减小焦距,采集硅晶片斑痕图像,提取斑痕平均像素面积及斑痕目标与背景之间的R分量灰度差,获得斑痕像素面积及灰度差随激光束焦距变化的曲线;向上逐渐增大焦距,提取并获得斑痕像素面积及灰度差随激光束焦距变化的曲线。结合激光束向下离焦阈值(633 μm)及向上离焦阈值(993 μm),确定20 mW输出功率条件下,飞秒激光在硅晶片材料表面的有效烧蚀深度为360 μm。采用中位值方法确定了激光束在硅晶片表面聚焦时的焦距为0.823 mm。实验表明,激光烧蚀斑痕像素面积及灰度差与激光束焦距之间的关系能够客观地反映激光束有效烧蚀焦距的变化范围。     

大口径光束波前采样器(孔栅)的研制

应用平面波角谱理论，分析了采样器对光波场采样和分光的基本原理以及对空间采样频率的选择规则，描述了实际研制的大口径采样器的结构设计，并通过数值方法和高能激光大气传输实验研究了高能激光经采样器前／后的远场光斑分布关系。结果表明：利用光束波前采样器能高保真地实现对高能激光束的分光。     

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。