强激光对传输光学元件热效应的数值模拟研究

强激光通过反射镜、窗口等光学元件传输过程中，光学材料对激光会有微弱的吸收，由此引起光学元件的热畸变，影响传输效率和远场能量集中度。基于三维瞬态热传导方程和弹性应力-应变方程，研究了波长1.315μm非对称环形强激光束辐照下硅反射镜、白宝石窗口的温度、变形和应力的分布规律，特别研究了激光强度、激光输出时间、光束遮拦比、光强分布的空间梯度等对元件热效应的影响；还研究了波长3．8μm非对称空心矩形激光束辐照下氟玻璃窗口温度、变形和应力的分布规律。计算了变形对光束波前位相和光束质量的影响。     

光谱色散后的相位调制光束衍射特性研究

用数值方法研究了激光驱动器系统中使用光谱色散平滑单元后光束的衍射特性.模拟结果表明，光谱色散会使光束衍射光斑变大，近场空间强度均匀性改善，而远场光斑内部存在光强接近于均匀分布的区域.进一步分析了光谱色散平滑单元中相位调制器的调制深度、调制频率及光栅色散系数等主要元件参数对光束传输特性的影响，发现在一定情况下光斑内部会出现较强的强度调制. 关键词： 光谱色散平滑 光束衍射 近场 远场     

强激光腔镜温升对腔几何参数和远场光强的影响

 利用交替方向隐式有限差分法分析了高能激光器虚共焦非稳腔反射镜的温度场及热变形的数值计算方法。以单晶硅为例,计算了反射镜由于吸收激光能量而形成的温度场分布以及由此引起的热变形对谐振腔几何结构参数的影响,并在此基础上数值模拟了热畸变情况下正支虚共焦非稳腔的远场光强分布。计算结果表明:在激光束辐照的开始阶段,温升场主要集中在激光束辐照的中心区域内,在整个镜面上远未拉平,由此引起的厚度方向温升分布也是如此,很不均匀。     

射频板条CO2激光器输出光束的光学变换

射频激励板条CO2激光器输出激光近场光斑近似为一条线,远场光斑为O形图样。在垂直于光束传输方向的平面内,光束在一个方向发散很大,无法用于激光加工。根据激光器不同的激光功率级别及光束尺寸,分别采用了圆柱面镜、滤波光阑、扩束望远镜等不同组合的方法,将200 W激光器输出光束变换成远场光束为Φ6、近似TEM00模的圆形光束,500 W激光器远场光束为Φ10的低阶模的圆形光束。成功用于激光切割。     

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。     

激光辐照下镀铬介质高吸收镜的热变形

为了分析激光辐照下反射镜热变形对光束质量的影响, 本文建立了激光光束45°角入射时镀铬介质高吸收镜的热固耦合模型, 对不同辐照光束下反射镜的热变形和镜体厚度对热变形的影响进行了分析, 并用哈特曼波前传感器对自由边界条件下的镜面热变形进行了检测。结果表明:吸收功率在0.085~0.185 W时, 镜面热变形随吸收功率的增加近似线性增加, 随辐照光斑的增加而减小;反射镜厚度在1~5 mm范围, 镜面热变形基本不变。在激光照射的初始阶段, 反射镜表面温度和热变形迅速增加, 在激光连续照射20 s后, 镜面温度增加量逐步变缓, 镜面热变形则在1 s以内就上升至0.27 μm, 之后变形量缓慢增加, 在100 s后达到相对稳定状态;关闭激光后, 镜面在120 s后恢复到初始状态。分析表明, 产生误差的因素主要为光斑大小和辐照光束入射角度。     

红外连续激光反射镜热畸变的有限元分析

 基于热传导方程和热弹方程，利用有限元分析方法，就光斑尺寸远大于或接近于基底材料热扩散长度的情况以及反射镜在固定或自由的边界条件下，分别计算了硅和石英两种基底材料多层膜红外连续激光反射镜的最大温升、最大形变及最大热应力，并探讨了它们随光斑尺寸的变化规律。结果表明：在自由边界条件下，反射镜表面的最大轴向位移与光斑半径之间近似为线性关系；而在固定边界条件下，反射镜的最大热应力与光斑半径之间近似为线性关系；反射镜的夹持状态对最大轴向位移及最大热应力的影响随着光斑尺寸的增加而增强；在相同的入射激光光源及相同的边界条件下，硅镜具有较低的温升值或较高的抗热损伤阈值，而石英镜具有较好的抗热畸变特性。     

高功率激光透过窗口材料的传输效应分析

在1.315μm波长氧碘激光的透射下,对目前破坏阈值高、透过率好的白宝石窗口材料进行了解析的热应力与热应变分析,求得了吸收激光功率产生热透镜焦距和热场分布的解析式.计算了白宝石晶片在波长1.315μm激光倾斜入射时的折射效应,在5mrad夹角下影响极微,可以满足氧碘激光远场方向角条件下的使用.     

强激光远场光斑强度分布测量技术

准确测量激光远场光斑强度时空分布是分析强激光大气传输效应和评价激光系统性能的有效手段。概述了测量激光光斑强度分布的几种方法及其适用性,重点叙述了基于阵列探测法的强激光远场光斑强度分布测量技术,总结分析了量热阵列法、光电阵列法和量热/光电复合法等三类阵列探测系统应用特点。最后介绍了两种分别用于测量连续波高能激光和重频脉冲激光的光电阵列靶斑仪,系统具有结构紧凑的特点,能够满足运动靶目标上强激光参数测量要求。     

类Ne钛X射线激光输出特性实验

 在星光激光装置上, 使用X射线多层膜反射镜、铝滤片及X射线CCD探测器组成高灵敏度空间分辨探测系统, 对用预脉冲技术产生的类Ne钛单线 (J=0-1, 3p-3s跃迁)软X射线激光输出特性进行了测量。由实验得到了类Ne钛X 射线激光束近场与距靶端32mm处(准远场)强度的空间分布, 给出了该激光束在近场强度最大区域的空间尺度(FWHM)约为72μm×31μm, 以及在垂直靶面与平行靶面方向的束发散角分别约为4mrad与9mrad。     

高功率固体多棒激光腔的动态工作特性

 使用等价腔概念，对高功率固体多棒激光腔的动态特性作了分析，推导出了多棒等价g参数和等价腔长的一般公式，由此可得出多棒腔等价g参数图上的动态工作特性曲线和临界光焦度，以数值算例说明多棒腔的动态工作特性。讨论了用适当调整腔镜和棒间距来补偿光焦度偏离的方法，并得出了相应的解析公式。所得结果可作为高功率固体腔设计的参考。     

The Characteristics of Wavefront and Far-Field Optical Pattern from High Power Laser Mirror

This paper presents the characteristics of wavefront and far-field optical pattern from high power laser mirror which suffered from thermal deformations. Zernike polynomials are introduced to describe aberrations of laser-induced thermal deformations. And, the far-field optical patterns of radiation are calculated by using Fourier transformation and measured by interference experiments. The result indicates that main aberrations are defocusing and primary coma, and that the tilt cannot be ignored. Some optical patterns and contour maps which depend on the laser beam power applied to the mirror and the exposure time are given. Finally a new clamping method is suggested, which can reduce the tilt of mirror and increase the pointing stability of high power laser beam.     

Heating by Optical Absorption and Cooling of High Power Laser Mirrors

In high power laser system, laser mirror is the core and the most sensitive optical component, which influences the increase of laser power and the quality of laser. Absorption of light at mirrors causes wavefront distortions through the thermal deformations of substrates. The analytical solutions of the two-dimensional transient thermal theory of high power laser mirrors are developed, copious graphical results in our case are presented, and the predicted results are compared with those of the experiment.     

大口径反射镜波前畸变控制技术

依据高功率固体激光装置对大口径反射镜附加波前畸变的严格要求,通过选择适合的结构形式、材料及连接方式和支撑位置设计了大口径反射镜支撑结构,并对其进行了优化分析计算和验证性试验。面形精度试验结果表明:装夹引入的附加波前畸变的峰谷值（PV 值）约为150 nm,小于/3(=632 nm),结构满足设计指标要求。     

高功率光学元件校正波前的梯度均方根指标

对高功率固体激光装置中,光学元件波前经过变形镜校正后的梯度均方根指标开展了研究。建立了变形镜校正效果的等效分解方法,分析了校正波前的部分相干叠加特性,对校正波前的梯度均方根与焦斑尺寸的对应关系进行了研究。解决了在有变形镜校正时,如何制定元件波前梯度均方根指标的问题。研究结果对高功率固体激光装置的光学元件波前指标制定有指导意义。     

大口径反射镜低应力夹持技术

高功率固体激光装置对大口径反射镜附加波前畸变和姿态稳定提出了苛刻的要求,在确保姿态稳定性的同时,要求低应力夹持使附加波前畸变峰谷值（PV值）＜λ/3, 波长λ＝633 nm。提出了一种正面三点支撑结合侧面八点限位的大口径反射镜夹持技术,对该夹持结构下引起的附加波前畸变进行了仿真和实验研究,并对反射镜姿态稳定性进行了不同工况下的实验模拟。结果表明,该夹持方式引入的附加波前畸变PV值约为23.6 nm,振动、晃动、翻转不同工况下反射镜指向变化PV值小于50 μrad,附加波前畸变和姿态稳定性均满足高功率激光装置的要求。     

封闭管道中热耦合效应对激光传输的影响

建立了封闭竖直管道热耦合效应物理模型,采用流固耦合方法,数值模拟了封闭管道中介质气体、光学玻璃之间的热相互作用造成流场分布的变化,研究了热耦合作用对近场波前相差和远场光束质量的影响。数值模拟结果表明,光束质量可以由封闭管道内介质气体温度分布来决定,气体在管道内流动改变温度分布,使得相差分布不断变化,造成远场光束质量的振荡起伏;光学镜与介质气体热相互作用对流场分布有较大影响,尤其是竖直管道底部的光学镜对激光束远场光束质量影响明显。热耦合效应放大了光束质量的变化:当介质模型中光束质量变差,热耦合模型中热耦合效应使光束质量变得更差;当介质模型中光束质量变好,耦合模型中的热耦合作用使光束质量变得更好,即光束质量随着流场分布的变化而振荡。     

Wavefront measurements of diode laser beams with large dynamic ranges

We propose and demonstrate a method for the measurement of the wavefronts of high-power diode laser beams with large dynamic ranges. Our wavefront sensor consists of a movable pinhole and a wavefront-slope detector. The measurement results show that the wavefront sensor exhibits a large dynamic range of pi/2 to -pi/2 and a high precision on the measured average wavefront slope. The wavefronts of high-power diode laser beams having large divergence angles at arbitrary locations (including near and far fields) can be reconstructed via the wavefront measurement at a given location. The amplitude and phase distributions of a laser beam could be determined from the measured optical field data using diffraction theory. The experimental measurement of the wavefront of a 980 nm diode laser beam will be presented and discussed.     

碘喷孔位置的变化对激光性能的影响

 在主、副气流流量不变的情况下,仅改变氧碘化学激光器中碘喷孔的位置,数值模拟了其混合气体流场特性和小信号增益分布等的变化。计算结果表明,碘喷孔在喷管叶片上的位置沿气流方向往下游移动,混合状况变差,光腔中小信号增益降低,输出功率减小,饱和光强沿气流方向的衰减变得平缓。     

新型离轴反射变焦距光学系统的多视场检测方法

基于对离轴反射变焦距光学系统进行计算机辅助装调研究, 需要检测离轴反射变焦距系统各个视场的波像差, 除零度视场外, 获得包括其他视场的波像差有助于提高计算机辅助装调的准确性, 但是目前已有的波像差检测方法往往只能获得系统零度视场的波像差. 本文针对这个难题提出了一种检测离轴反射变焦距光学系统各个视场波像差的方法, 并应用于离轴三反变焦距光学系统的各视场波像差仿真检测. 该方法在传统自准直干涉法的基础上进行改进, 关键在于采用变形镜代替扫描的平面镜, 并采用夏克-哈特曼波前传感器代替干涉仪, 配合精确标定的激光器光源阵列, 可以实现对离轴三反变焦距光学系统的多视场波像差同时检测. 由理论分析和仿真模拟得出, 该系统在视场(0°, 3°), (0°, 4.2°), (0°, 5.5°), (0°, 7°), (0°, 9.8°), (0°, 14°)处经过变形镜补偿后的剩余波像差的RMS值分别为0.00039λ, 0.00075λ, 0.0024λ, 0.00017λ, 0.00053λ, 0.0057λ, 分析仿真结果表明此检测方案是可行的, 且适用于离轴反射变焦距系统的计算机辅助装调技术的研究.