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。     

非均匀激光辐照下硅镜热变形对光束传输特性的影响

 使用有限元法计算了硅镜在DF化学激光器非稳腔输出的中空非均匀激光辐照下镜面温升和反射面面形随时间变化的特性,使用65阶Zernike多项式对镜面面形进行了曲面拟合,使用光线追迹的方法计算了平行光束经不同数量硅镜反射后的光束波前分布PV值、Strehl比和Zernike像差系数随时间变化的特性。计算结果表明：在典型的DF激光器输出的中空方形光束辐照下,硅反射镜的热变形将使反射光束产生波前畸变,波前畸变中,y方向像散项占据主要地位,其次是离焦项;随着激光系统中反射镜面数量的增加,高阶像差系数将逐渐增大,且波前PV值与反射次数成线性关系。     

激光辐照下非稳腔镜变形对激光模式的影响

 分析了正支虚共焦非稳腔中腔镜变形对激光模式的影响，采用时间离散化、快速傅里叶变换（FFT）和有限元分析(FEA)方法解决腔镜变形和激光模式两者之间的耦合问题。计算结果表明，随着激光器工作时间的增加，腔镜温升和变形相应增大，谐振腔模式变差，输出光场相位均匀性变差，呈现散焦现象，输出光束质量下降。实验验证了激光器输出光束质量随出光时间的延长而逐渐变坏。     

用于激光二极管抽运固体激光器热畸变补偿的MEMS微变形镜设计

以MEMS微变形镜驱动方式的选取为出发点,从光学特性和力学特性两方面对MEMS微变形镜进行分析.从中得出相关结构参数对微变形镜性能的影响关系.并在此基础上结合补偿激光二极管抽运固体激光器(DPL)热畸变的使用要求设计了一种新型MEMS连续面型微变形镜,并采用设计的MEMS变形镜搭建了一个闭环自适应光学实验系统,补偿了激光光束的热畸变.实验结果显示该MEMS连续面型微变形镜可对腔内畸变进行有效补偿,同时提高了激光器的输出功率及光束质量.     

辐射平衡激光器谐振腔模型计算

介绍了辐射平衡激光器原理以及谐振腔模型,并对腔内激光和泵浦光满足的方程进行了推导。计算了在Yb:KYW辐射平衡激光器谐振腔中激光和泵浦光光强的变化规律,以及输出端耦合镜反射率和腔长变化时带来的影响。讨论了腔长的最小值与输出端耦合镜反射率之间的关系。     

微变形镜补偿激光器腔内热畸变的研究

大功率激光器中由增益介质热畸变产生热透镜效应,导致激光器的性能下降.采用基于MEMS技术加工的微变形反射镜作为激光器谐振腔的一部分,能实时补偿热透镜效应,提高激光器的输出功率.推导了热畸变与微变形镜镜面形变量、反射镜驱动单元上电压的关系并进行了实验.实验结果表明,在初始功率为287 mW、383 mW、482 mW和800 mW的情况下使用微变形镜进行补偿,可以将功率提高到437 mW、710 mW、894 mW和993 mW,在理论和实验上证明了使用微变形镜可以改善激光器腔内热畸变.     

1.8m望远镜变形次镜波前拟合能力分析

波前拟合能力分析是变形次镜研制工作的重要组成部分,是基于变形次镜的新型自适应光学系统研制的重要基础.以拟合误差为评价标准,采用有限元计算所得驱动器影响函数对1.8 m望远镜变形次镜四个备选方案进行了泽尼克(Zernike)多项式、Kolmogorov湍流大气畸变相位屏拟合能力分析.结果表明73单元变形次镜波前拟合能力较...     

热容模式下激光介质的动态光学畸变

 开展了热容模式下激光介质动态光学畸变研究，初步分析了温度梯度、光弹效应及介质端面变形对整个波前畸变带来的影响，并将光学畸变转化为谐振腔损耗，数值模拟了热容激光器输出功率随时间的变化规律，模拟结果表明：当激光器工作温度低于400 K时，由粒子数玻耳兹曼分布引起的功率下降可以忽略，动态热效应是实验中热容激光器输出功率随时间快速下降的原因。     

环形区域上Zernike模式法波前重构

 针对激光技术领域常见的环形激光光束,利用圆域Zernike多项式和环域Zernike多项式进行模式法波前重构,结果显示,如果环形激光光束波前相位畸变主要由低空间频率成分组成,则可以直接利用圆域Zernike多项式进行波前重构;如果环形激光光束波前相位畸变含有较多的高阶频率成分,则利用环域Zernike多项式进行波前重构。     

腔内双棒串接的基模动态稳定腔研究

为了获得大功率高亮度的激光光源,设计并实现了一种使用双棒串接的基模动态稳定谐振腔.通过补偿热致双折射效应以及合理地设计腔内参数,在使用闪光灯抽运的条件下获得了61W的基模连续输出.使用等效热透镜的方法分析了谐振腔参数对激光器性能的影响,解释了输出镜和全反镜的距离对激光器性能所起的不同作用. 关键词： 动态稳定腔 双棒 谐振腔模式     

腔内倾斜扰动对正支共焦腔本征模式的影响

针对激光器出光过程中腔内像差扰动带来的光束质量下降问题,分析了正支共焦腔腔内不同位置倾斜扰动对本征模式的影响,采用数值迭代法计算了理想状态及腔内不同位置倾斜扰动状态下的本征模式、相位Zernike像差拟合系数.结果表明：对大小给定的扰动,相位相对敏感性从凸面镜到凹面镜逐渐增加,且腔模倾斜像差增大的同时还将导致离焦、像散等高阶像差的增大,因此作腔内补偿时,应使补偿平面尽可能靠近凹面镜.     

腔内像散扰动对正支共焦腔模式影响的数值分析

 针对激光器出光过程中腔内像差扰动带来的输出光束质量和光束能量下降问题,分析了腔内像差扰动对非稳腔模式的影响,并采用数值迭代法计算了理想情形和腔内像散扰动对无源正支共焦腔输出模式强度和相位分布的影响,进一步采用Zernike模式法对光束相位进行了像差拟合,得到了前35阶Zernike像差系数、点扩散函数(PSF)分布和环围能量曲线,计算了腔内像散扰动量与远场Strehl比的关系。结果表明：对小菲涅耳数正支共焦腔,腔内像散扰动对输出光束强度和相位分布均有明显影响,相位分布中一些高阶Zernike像差也有所增大。因此在进行腔内像差校正时,应优先考虑此类像差的校正。     

微加工薄膜变形镜特性分析

 借助测量微加工薄膜变形镜驱动器的面形影响函数，分析了驱动器的电压-位移函数和驱动器之间的线性叠加性;通过对连续面形变形镜拟合像差的理论分析和实验研究，建立了微加工薄膜变形镜电压解耦模型。分析了对前36阶Zernike模式的拟合残差和拟合能力，指出微加工薄膜变形镜仅可用来拟合低级像差并且有较大的拟合能力和较小的拟合残差，而不能拟合高级像差。     

基于近红外光谱的人眼像差校正系统中变形镜性能对比研究

对比分析了基于近红外光谱的人眼像差校正系统中两种微机械薄膜变形镜(OKO37单元和BMC140单元)的结构特征和空间特性,着重对变形镜的影响函数进行了主成分研究,建立了变形镜电压控制模型,并通过调整参数d确定变形镜最优控制模式。最后对Zernike单位模式波前像差和Thibos模式人眼波前像差进行拟合仿真实验,结果表明BMC140单元变形镜对Zernike各阶模式的拟合能力均为OKO37单元变形镜的2倍以上。对RMS均值为0.683λ(λ=0.785 μm)的Thibos模式人眼像差,BMC变形镜校正后残余像差RMS值为0.063λ,达到了光学系统的衍射极限(λ/14)。而OKO变形镜由于受相邻电极交连值大、电极分布密度小等因素的影响,其校正能力不及BMC变形镜,残余像差RMS值为0.168λ。本方法也可用于其他种类变形镜的性能评估。     

主客观相结合眼波面像差分析系统

利用Hartmann-Shack波面传感器对眼出瞳位置的波面像差进行测量,根据所测像差控制可变形镜对像差进行实时补偿.眼像差以Zernike多项式表示,通过对可变形镜的精确控制,可在光路中生成特定模式和幅值的像差.因此,被测者根据视觉的主观感觉,调节视标像差,直至获得最满意的视觉效果.该系统采用移动三棱镜和柱镜的方法对离焦和散光进行预补偿,弥补了波面传感器测量范围和可变形镜矫正范围受限制的缺点.该系统把快速、客观的测量及补偿和主观调整相结合,更加符合人眼工作的特性,可用于在人眼像差与视觉分辩的基础和临床研究.     

Study on the possibilities of controlling the laser output beam properties by an intracavity deformable mirror

The possibilities of controlling the laser beam properties by a deformable mirror introduced into the laser optical cavity were studied theoretically and experimentally. The experiments were performed under conditions of an industrial high power transverse flow cw CO₂ laser operating with a stable resonator of a folded configuration. A deformable bimorph mirror of a surface profile controlled by the voltage applied to the mirror electrodes is implemented to the laser system as a back cavity mirror or as a one of the inner folding mirrors. The near-and far-field characteristics of the laser beam versus the resonator configuration controlled by the changes of the focal length of the deformable mirror are discussed in the paper. The analysis reveals that the resonator with an inner deformable mirror is much more sensitive to the mirror curvature variations than the resonator in which the deformable mirror is used as a back cavity mirror. The presented results show that dynamic and controllable changes in the resonator properties result in the controlled modification and optimisation of the laser output power and spatial parameters of the laser radiation.     

Generation of custom modes in a Nd:YAG laser with a semipassive bimorph adaptive mirror

Custom modes at a wavelength of 1064 nm were generated with a deformable mirror. The required surface deformations of the adaptive mirror were calculated with the Collins integral written in a matrix formalism. The appropriate size and shape of the actuators as well as the needed stroke were determined to ensure that the surface of the controllable mirror matches the phase front of the custom modes. A semipassive bimorph adaptive mirror with five concentric ring-shaped actuators and one defocus actuator was manufactured and characterised. The surface deformation was modelled with the response functions of the adaptive mirror in terms of an expansion with Zernike polynomials. In the experiments the Nd:YAG laser crystal was quasi-CW pumped to avoid thermally induced distortions of the phase front. The adaptive mirror allows to switch between a super-Gaussian mode, a doughnut mode, a Hermite-Gaussian fundamental beam, multi-mode operation or no oscillation in real time during laser operation. PACS 42.60.Jf; 42.60.Da; 42.60.By     

基于Zernike模式的随机并行梯度下降算法的收敛速率

为了加快控制变形镜进行波前整形的随机并行梯度下降（SPGD）算法的收敛速率,提高实时波前整形能力,本文利用由12阶Zernike多项式构成的畸变波前和32单元变形镜建立了仿真模型。基于Zernike多项式的单位正交性,得到了两个常数矩阵,当斯特列尔比（SR）达到0.8时,需要算法迭代660次,简化了算法的运算过程,加快了算法运行时间。通过Matlab7.8.0对6种SPGD算法进行仿真对比,结果显示：当SR要求不高时,可使用间接固定双边SPGD算法来提高收敛速度;当SR要求较高时,则应当使用间接自动双边SPGD算法。提出的算法为实际的激光整形提供了理论指导。     

内腔自适应光学系统校正激光器畸变

固体激光器中,增益介质由于热沉积产生的热畸变严重影响了激光器的稳定性、输出功率和光束质量。研究了一种内腔自适应光学系统校正激光器腔内畸变的方法,利用微机电变形反射镜作为固体激光器的内腔全反射镜,通过控制变形镜的面型改善激光器输出光束的模式及功率。从腔外引入的一束信标光通过激光器内腔后反射出腔外,用波前探测器可测得激光器工作时腔内畸变对此信标光的影响,并通过搭建的自适应光学系统平台可闭环校正此畸变。实验结果表明,闭环校正后,激光器的输出功率提高了近3倍,且激光光束质量得到了明显的改善。