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。     

高能激光系统中的物理问题

文章讨论了高能激光系统存在的一些物理问题，着重分析了高能激光系统能力的物理限制，全系统光束质量控制，光束通道和光学元件热效应的产生和抑制，并报道了相关的模拟实验结果．利用数千瓦的氧碘化学激光器（COIL）系统，研究了激光器输出光束的稳定和净化效果，镜面和镜架热效应及其抑制方法，以及通道介质的热效应及其抑制方法，最后还介绍了全系统光束质量一体化控制的共光路共模式（CPCM）自适应光学校正方法．     

高能光纤激光经准直系统后的光束质量研究

应用光线光学的理论,对透镜的几何像差、热非线性等因素对光纤激光光束质量的影响进行了分析和计算,给出了激光通过多透镜光学系统后,光束质量参数M²与系统参数的一般关系. 研究了高能光纤激光通过准直系统后的光束质量. 研究结果表明,随着激光功率的增大,经准直系统后光束的光束质量存在最佳值,其对应的激光功率与准直系统参数有关,为高能光纤激光准直系统的设计提供了参考. 关键词： 高能光纤激光 光束质量 准直系统 光线光学     

非稳腔氧碘激光器近场杂散光传输特性

氧碘高能激光近场存在较多的杂散光,这些光会严重影响光束传输和光束质量控制。通过对杂散光的产生机理、类型和传输规律的分析和模拟确定了不同类型杂散光的测量方法。利用两个能量计测量了30m通道自由传输时的传输效率,利用测试光阑获得了通道内杂散光角谱曲线和镜面散射光能量。实验表明30m通道自由传输时的能量损失约为5.2%,杂散光的角谱随着传输距离的增加逐渐增大,角谱也会随着光束质量的恶化显著增加。利用角谱曲线可以获得通道内任意位置处光阑上的热负荷,这为高能激光热管理技术奠定了坚实的基础。     

激光束整形光学系统的设计与研究

提出了一种改善激光投线仪光束均匀性的新方法,该方法运用几何光线追迹的原理,对激光束通过带孔柱透镜的光路进行了计算,模拟了柱透镜内孔在不同大小、形状、透镜介质折射率等参数下的光束远场能量分布,获得了能量分布均匀的远场激光线.     

光线追迹在高能激光能量计系统设计中的应用北大核心CSCD

将光线追迹方法用于高能激光能量计的系统设计中。针对锥形腔激光能量计后向散射问题,使用光线追迹方法进行能量仿真模拟,并将其结果与理论计算结果进行对比,验证了该方法的可行性。同时将其应用于实际的高能激光能量计系统设计中。     

预失真半导体激光列阵技术

相干半导体激光列阵体积小、重量轻,输出能量密度高,非常适于用作对光源尺寸要求苛刻的航天激光光源。为避免随航天器在轨运行的半导体列阵经受变化梯度剧烈的恒星、行星、空间低温热沉的交替加热和冷却的影响,以便能够正常工作,采用潜望式结构设计,将列阵置于舱内,列阵向航天器外输出激光必须经由舱外输出反射镜完成。然而,舱外输出反射镜受周围热环境影响和列阵输出激光束照射,会产生随机热变形,导致输出舱外的激光能量发散;并且,舱外输出反射镜面热变形导致镜面法向偏转,使得输出光束产生较大的指向偏转误差,这极大地降低了能够作用于目标之上的激光束的能量密度,严重恶化输出舱外的光束质量。通过理论推导结合ANSYS有限元分析软件和相关实验,在研究清楚相干半导体激光列阵作为航天激光源的构造、其光场与周围热环境共同作用于舱外输出反射镜的规律与特点后,给出了航天预失真半导体激光列阵激光源技术,通过回波法适时测量舱外输出反射镜引起的波前畸变,处理器配合D/A和高压放大器,驱动驱动器,使舱内添加的反射镜预失真成形,适时使列阵输出产生预失真波前畸变,以抵消舱外输出反射镜的热变形对输出舱外的激光束的影响。相关系统运行实验结果显示,此技术使半导体激光列阵能够适应宇航环境,向舱外输出保障质量的激光束。     

异轴双半圆柱透镜准直半导体激光光束

运用光线追迹的方法,讨论了异轴双半圆柱透镜准直半导体激光光束的效率.数值模拟结果表明,异轴双半圆柱透镜可用于准直半导体激光光束,在最佳准直时,透镜材料的折射率允许高于2;当折射率在一定的范围内变化时,其准直效率随折射率的增大而提高.理论上可以将半导体激光器输出光束快轴方向的发散角压缩到0.1 mrad量级以下.     

球面折射系统对高斯光束的变换和传输模拟

为研究高斯光束在厚透镜中的传输特性,由几何光学处理傍轴光线的方法,理论上推导了高斯光束的物像束腰位置以及物像束腰半径间的关系,并由高斯光束传输光线就是单叶双曲面直母线的假设,光线追迹模拟了高斯光束在透镜系统的传输过程.模拟结果表明,当物高斯光束束腰位置与透镜系统物方焦点的距离远大于高斯光束的共焦参数时,用几何光学傍轴光线方法所得到的高斯光束束腰位置和半径的理论结果与光线追迹得到的高斯光束束腰位置和半径模拟结果一致,否则,光线追迹模拟结果不正确.     

平面激光诱导荧光实验中激励激光的光束整形

分析了激励激光光强分布对平面激光诱导荧光（PLIF）实验中荧光强度的影响。基于柱面微透镜列阵设计了一套激光片状光束匀滑整形系统,并根据PLIF实验的具体要求,通过光线追迹方法优化了系统参数。建立了片状光束整形实验系统,对染料激光进行了匀滑整形,获得了不均匀性〈4%的均匀片状光束,满足了PLIF实验所需。在此基础上建立了PLIF实验系统,获得了酒精灯火焰和CH4/air预混火焰中OH的二维荧光分布。     

掺镱双包层光纤激光器典型参数对斜线效率的影响

分析了双包层光纤激光器(DCFL)耦合方程的解析解，并对信号光散射损耗、后腔镜泵浦反射率等影响掺镱DCFL斜线效率的典型参数进行了理论研究。结果表明，斜线效率并不是随着后腔镜泵浦反射率的升高而单调增大，因为泵浦反射率的升高会影响光纤的最佳长度，从而降低斜线效率。所以在优化斜线效率时应该考虑到泵浦反射率和光纤最佳长度之间的匹配。同时，提高纤芯掺杂浓度、减小信号光散射损耗也能增大斜线效率。     

基于整形光路的低阶像差校正方法

为满足激光束对远处目标辐照强度的要求,减小热效应对输出光束性能的影响,提出了一种基于整形光路的高能激光低阶像差校正方法。该方法根据波前探测器测到的光束波前畸变,利用激光器整形光路固有的光学元件和调整机构,通过高精密电动平移台和快反镜的快速动作,动态调整各镜片的间距,实时校正激光束的低阶像差,使输出光束恢复至平行出射,从而显著减小激光束的热漂移和热畸变,有效避免了长时间出光时光束的持续发散,极大改善了输出光束性能。试验结果表明,该方法具有校正量大、控制方便、结构紧凑等优点,能够很好地改善激光器输出光束质量,显著提高激光束远场作用效果。     

影响高能激光系统核心特征量的要素

阐述了对国际上正在发展的高能激光系统核心特征量的理解。分析了影响这个核心特征量的若干要素:主激光器选择变化的历史轨迹及其原因;光束质量是高能激光系统的生命线,做好光束质量是一个多环节的科学工程;分析了这一技术链条上游、中游和下游的技术难点以及与其都有关系的全系统的稳定性问题。最后,把这些要素结合起来,可将核心特征量综合表达为目标上的激光亮度。     

Strehl ratio versus localized distortion in reflectors in lasercom

In intersatellite laser communication (lasercom), the Strehl ratio (SR) is usually used to characterize the transmitter-beam quality. We study its dependence on localized distortion in reflectors based on the Gaussian model. We show that the transmitter-beam quality depends on three parameters of localized distortion and changes regularly with their increase. Localized distortion in reflectors influences the beam quality near the depth of 0.4 λ, which does not depend on other distortion parameters. To reduce the impact of localized deformation on the beam quality, we use the peak-to-valley (PV) value to evaluate the machining precision of mirrors and show that it should be much better than 0.8 λ. The results obtained can be used in designing intersatellite laser-communication systems.     

激光窗口热透镜效应对光束质量的影响

 分析了高功率激光通过窗口时，引起的窗口热透镜效应及其对激光光束质量的影响。用冲量定理方法，推导了二维热传导方程的广义傅里叶级数解，然后按照平面热应力问题，运用有限元方法数值计算热变形。考虑热变形、折射率随温度变化，忽略光弹性效应，解出出光面的波前相差分布，讨论了远场光束质量。以空心环形光束为例，计算了熔融石英(SiO₂)和白宝石(Al₂O₃)两种常用窗口的温升分布、热变形、波前相差和光束质量，分析了冷却、辐照时间、光强分布的空间梯度和各种材料参数对光束质量的影响。     

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。     

组合变形镜对板条固体MOPA激光波前畸变校正（英）

提出了一种利用组合变形镜校正板条MOPA固体激光器像差的方法,并通过实验验证其有效性。通过将一个11单元的一维变形镜和一个67单元的二维变形镜组合,有效降低了单个二维变形镜波前校正过程中驱动器间的电压差,从而提高了二维变形镜的使用安全性,并在一定程度上改善了校正后波前畸变的空间分布,降低了波前畸变残差。实验结果表明,一维变形镜与二维变形镜的组合能高效地校正板条MOPA固体激光器的波前畸变,波前残差均方根值小于0.08 m,远场光束质量因子可达1.67。     

Linear quadratic regulator for laser beam shaping

The performance of an adaptive optics system depends on multiple factors, including the quality of the laser beam before being projected to the mesosphere. In general, cumbersome procedures are required to optimize the laser beam in terms of amplitude and phase. However, aberrations produced by the optics of the laser beam system are still detected during the operations due to, for example, uncertainty in the utilized models. In this paper we propose the use of feedback to overcome the presence of model uncertainty and disturbances. In particular we use a Linear Quadratic Regulator (LQR) for closed loop laser beam shaping using a setup of two deformable mirrors. The proposed method is studied and simulated to provide an automatic optimization of the Amplitude of the laser beam. The performance of the LQR control algorithm is evaluated via numerical simulations using the root mean square error (RMSE). The results show an effective amplitude correction of the laser system aberrations after 20 iterations of the algorithm, a RMSE less than 0.7 was obtained, with about 140 actuators per mirror and a separation of z=3 [m] among the mirrors.     

A simple method for boosting the beam quality of commercial DPL

A simple method for boosting the beam quality of a commercial laser diode pumped laser (DPL) is put forward. By keeping one of the mirrors unchanged and the moving the other mirror a proper distance away from the laser rod, high beam quality laser output is realized.     

Folded diffractive laser resonators with user-defined fundamental mode

The adjustment effort required for the alignment of laser resonators with arbitrarily shaped end mirrors can be significantly reduced by folding the resonator path half-way between the two end mirrors and by slightly tilting the resonator axis. Thus the resulting resonator consists only of one diffractive mirror and a plane mirror, and the separate alignment of both diffractive end mirrors with respect to each other can be avoided. This principle is demonstrated by a Nd:YAG laser with super-Gaussian output beam. Furthermore, it is shown theoretically that the influence of phase quantization effects on the beam quality can be strongly reduced as a consequence of the tilted resonator axis.