激光相干合成光束质量评价

针对光束合成的目的和合成光束的特征,对现有的光束质量衡量标准进行了分析,说明了这些标准的不足。提出用广义环围功率比作为新的激光合成的光束质量评价标准。对广义环围功率比进行了阐述,并对其在合成效果方面的评价进行了定性分析。应用广义环围功率比作为合成光束质量评价标准,物理概念清楚,评价合理,在工程测量上容易实现。     

激光阵列部分相干合成的光束质量

由于单束激光部分相干性和相位控制系统带宽性能的限制,大功率激光阵列的相干合成一般只能取得部分相干合成的效果。对存在相位控制残差情形下部分相干合成光束在真空中的传输特性进行分析,推导激光阵列在远场光强的解析表达式。对单束激光的相干性以及相位控制残差对合成光束质量的影响进行了定量计算。     

激光场相干叠加光束合成技术

光束拼接激光相干合成中,拼接占空比不高导致合成光束能量集中度不够理想,为了解决这个问题,提出了激光场相干叠加光束合成技术路线,设计了基于半反半透合束镜的多级激光场相干叠加光束合成方案。研究了子光束之间的光强差和波面误差对相干合成的影响,结果表明,激光场相干叠加光束合成中,对参与合成子光束的光强差、相位差的容差均不难满足：仅考虑单一因素时,子束光强相差三倍时合成效率仍可达90%,相位误差小于/5时,合成效率可达到90.5%。搭建了基于半透半反合束镜的两束激光场相干叠加光束合成实验装置,实验验证了激光场相干叠加光束合成技术的可行性,在闭环情况下得到了稳定的合成光束输出,合成效率可达95%以上。     

三路矩形光束相干合成波像差与光束质量

根据相干合成的原理,建立了三路矩形光束相干合成的数学仿真模型,根据数学模型编写了仿真程序;模拟计算了1～21阶泽尼克像差下,单路矩形光束和三路矩形拼接光束的波像差与光束质量因子关系的拟合系数;建立了波像差与因子关系的计算表达式。分析了影响拟合系数的因素,结果表明：拟合系数总体上随着泽尼克像差系数增大而增加。比较了单路矩形光束与三路矩形拼接光束拟合系数的相似点和不同点,并分析了造成拟合系数不同的原因。     

三路矩形光束相干合成波像差与光束质量

根据相干合成的原理,建立了三路矩形光束相干合成的数学仿真模型,根据数学模型编写了仿真程序;模拟计算了1～21阶泽尼克像差下,单路矩形光束和三路矩形拼接光束的波像差与光束质量因子关系的拟合系数;建立了波像差与因子关系的计算表达式。分析了影响拟合系数的因素,结果表明:拟合系数总体上随着泽尼克像差系数增大而增加。比较了单路矩形光束与三路矩形拼接光束拟合系数的相似点和不同点,并分析了造成拟合系数不同的原因。     

两路120 W固体激光高光束质量相干合成

通过主动相位控制实现了两路固体激光器的高光束质量相干合成输出,总输出功率达到240W。建立了两路120W板条激光放大器,通过光束整形获得了高光束质量方形光斑,并实现了高占空比光束拼接,填充因子高于92.4%。研制了光轴一致性探测与控制系统,采用基于压电陶瓷的快反镜实现了光轴的高精度闭环控制,两束激光光轴一致性优于2μrad(RMS)。设计了基于现场可编程门阵列(FPGA)的相位探测与控制系统,用随机并行梯度下降算法(SPGD)锁定了两束激光的活塞相位。相位闭环后,远场光斑峰值提高到开环状态的1.7倍,为理想值的84%。合成光束主瓣包含67%的激光总能量,光束质量(BQ)为1.1。     

两路120 W固体激光高光束质量相干合成

通过主动相位控制实现了两路固体激光器的高光束质量相干合成输出,总输出功率达到240 W。建立了两路120 W板条激光放大器,通过光束整形获得了高光束质量方形光斑,并实现了高占空比光束拼接,填充因子高于92.4%。研制了光轴一致性探测与控制系统,采用基于压电陶瓷的快反镜实现了光轴的高精度闭环控制,两束激光光轴一致性优于2 rad（RMS）。设计了基于现场可编程门阵列（FPGA）的相位探测与控制系统,用随机并行梯度下降算法（SPGD）锁定了两束激光的活塞相位。相位闭环后,远场光斑峰值提高到开环状态的1.7倍,为理想值的84%。合成光束主瓣包含67%的激光总能量,光束质量（BQ）为1.1。     

不同波形脉冲激光的时域误差对相干合成的影响

相干合成技术是实现高功率、高亮度光纤激光系统的重要技术途径.然而, 脉冲激光阵列中常常存在时域误差,这将影响脉冲激光的相干合成效果. 建立了脉冲激光存在时域误差时的相干合成理论模型,并在不同波形(方波、三角波、正弦波) 的脉冲激光存在时域误差时,对相干合成光束在远场的脉冲波形、峰值功率、 光强分布和桶中功率(PIB)等特性进行了数值计算和对比分析.计算结果表明: 方波脉冲激光相干合成光束的脉冲波形受时域误差影响严重,光强分布和PIB随着时域误差 的增大发生线性变化;三角波脉冲激光相干合成光束的脉冲波形和峰值功率受时域误差 影响严重,光强分布和PIB在时域误差较大时随着时域误差的增大发生较为剧烈的变化; 正弦波脉冲激光相干合成光束具有较好的输出特性,在两路正弦波脉冲激光相干合成中, 将两脉冲之间的时延控制在脉冲持续时间的10%以内,就能取得良好的合成效果.     

高能激光技术进展与面临的挑战

文章分析和比较了几种高能激光器技术发展现状和面临的挑战,以及各自可能适用的范围.特别对二极管抽运固体激光器和光纤激光器的几种束相干合成方法和光束质量评价方法进行了分析和讨论.二极管抽运固体激光器和光纤激光器近十年来异军突起,被人们看作是继化学激光器后的第二代高能激光器.光纤激光器进展要比二极管抽运固体激光器滞后5到10年.对几十万瓦以上的激光器来说,在相当长的时间内仍然要靠化学激光器.     

径向阵列非傍轴椭圆高斯光束的相干和非相干合成

 从瑞利-索末菲衍射积分公式出发,推导出径向阵列非傍轴离轴椭圆高斯光束相干合成和非相干合成在自由空间中的解析传输公式,给出其远场分布和傍轴表示式。研究表明:合成光束的光强分布与f参数、径向阵列半径、光束数、传输距离和合成方式有关;N束光相干合成和非相干合成在远场的光强最大值分别为单光束在远场最大值的N₂和N倍。     

Beam quality factor for coherently combined fiber laser beams

The beam quality factor for a coherently combined beam is studied in detail. A theoretical analysis and a numerical calculation are given to illustrate that the M² factor is not a proper means for evaluating the beam quality of a coherently combined beam. The beam propagation factor is introduced to evaluate the beam quality. The effect of phase error on the beam quality is also studied. Results indicate that the beam quality of a coherently combined beam depends mainly on the fill factor of the laser array and not on the number of lasers. It is also revealed that the allowed phase error does not change with the number of lasers in order to ensure the energy encircled in a certain bucket.     

用于激光雷达的相干合成光束研究

提高激光雷达对空间小目标探测能力的重要手段是增大发射到目标上的光强,激光相干合成是在目标上获得较大光强的有效途径.为了评价相干光束在目标上的合成效果,引入了适合空间小目标探测的相干合成效果评价参数(合成效果因子),在此基础上讨论了光束相干合成效果的影响因素.研究表明: 合成效果因子随合成光束束腰间距的增大呈周期振荡变化,振荡幅度逐渐减小;达到理想合成效果需要的光束传输距离随光束间距的增大而增加,这对设计相干合成系统光束束腰间距具有参考意义.同时,还研究了光束的相位控制精度与合成效果之间的关系. 结果表明:当相位控制精度达到π/4时,合成效果可以达到理想效果的80%;当相位控制精度为π/2时,合成效果降为理想效果的50%.研究还表明,激光偏振方向不平行对合成效果的影响不明显. 关键词： 相干合成 激光雷达 合成效果     

1 MV紧凑型重频Marx发生器绝缘设计和数值分析

通过分析六氟化硫气体在静态高电压和脉冲高电压作用下的绝缘特性对Marx模块式开关结构和外筒尺寸进行了优化设计,着重优化设计了Marx发生器中的两个关键绝缘部位——开关腔体结构和外金属筒与顶部电容绝缘距离,并通过数值模拟计算,分析了该区域的局部3维电场强度分布。结果表明:最大场强均小于六氟化硫的沿面闪络和电击穿场强阈值。对模块式开关腔和外筒尺寸进行优化得到的绝缘结构满足0.3 MPa下六氟化硫的绝缘要求。     

高能光纤激光系统浅析

对相干合成型和非相干合成型高能光纤激光系统进行了分析与比较。引入光束传输因子(BPF)作为合成光束的光束质量评价因子,计算了单元光束质量、大气传输、跟踪抖动、相位控制等因素对合成光束质量的影响。对高能光纤激光系统的未来发展趋势进行了初步探讨。     

Comparative study on the propagation performance of coherently combined and incoherently combined beams

Taking phase error, turbulent atmosphere, jitter, vacancy factor and tilt error into consideration, we propose a general propagation formula for both coherent and incoherent combined beams with different kinds of aberrations. Comparative study on the propagation performance of coherent and incoherent combined beams is presented. Beam propagation factor (BPF) defined as laser output power in a specified far-field bucket divided by the total output power radiating from the effective near-field exit aperture of the laser beam is introduced as the beam quality factor to give a quantitative study. It is revealed that the coherent combined beam has great advantage when propagating in free-space compared with the incoherent combined beams. However, the coherent combined beam is more sensitive to the environmental aberrations, and the beam quality degrades faster with an increase in the aberrations’ intensity. Scintillation index as the high moments of the combined intensity field is also studied. It is revealed that both coherent and incoherent combined beams exhibit less scintillations compared with a single-aperture beam, and the incoherent combined beam demonstrates better scintillations reducing the performance. Our methodology offers an all-round performance evaluation on the two kinds of laser systems.     

激光器的部分相干性对光纤激光器阵列相干合成远场图样的影响

考虑光纤激光器阵列相干合成的远场分布时，一般都认为单个激光器的输出光束是理想的高斯光束，实际上受各种因素的影响，一般激光器的输出光束都是一部分相干光.从部分相干光的高斯-谢尔模型出发，首次推导出了当单个激光器的输出光束是部分相干光时，激光器阵列相干合成的远场光强分布模型，并给出了数值模拟计算结果. 关键词： 光纤激光器阵列 相干合成 部分相干光     

二极管激光光栅-外腔光谱合成技术模拟研究

光栅-外腔光谱合成效率主要由激光器和外腔的耦合效率决定。从衍射积分方程出发,建立了存在离轴像差情况下耦合效率模型,分析了光谱合成系统参数对耦合效率的影响。结果表明：当离轴距离增加、横模阶次增大、模场半径减小、阵列平面或光栅平面偏离焦平面时,耦合效率随之下降;光栅倾角和光栅平面-耦合输出镜距离对耦合效率影响甚微。对采用焦距为500 mm的对称双球面透镜,长度为10 mm二极管激光阵列的系统,快轴方向模场半径应大于0.15 mm, 慢轴方向模场半径应大于 20 μm, 阵列平面位置误差应控制在±0.5 mm内,光栅平面位置误差应控制在±0.2 mm内。