高功率激光光束经颗粒污染后的近场衍射效应

采用高功率激光驱动器设计软件Laser designer数值研究了激光光束经颗粒污染后的近场衍射特性. 对颗粒污染所产生的调制进行了分类, 并详细分析了真空和石英玻璃中, 振幅调制型和位相调制型颗粒污染对光束近场的影响. 研究结果表明, 无论在真空或石英玻璃中, 位相型颗粒污染对高功率激光光束的近场调制影响较大. 且在石英玻璃中, 位相型硬边颗粒污染所引起的高功率激光光束小尺度自聚焦热像调制现象相当严重. 而由颗粒污染引起光束强区的横向偏移, 却在一定程度对小尺度自聚焦有抑制作用.     

高功率激光传输过程中散射点对光束质量的影响

为了研究高功率激光传输过程中不透明颗粒引起的光束调制,通过分析这些不透明颗粒的形状和分布特点,建立了位置呈随机分布的高斯状散射点模型,从光束的衍射理论和干涉叠加理论出发,得到该模型下散射点对传输光束质量影响的解析式。数值分析了高斯状散射点的大小、密度、散射面积比及其传输距离对输出光束的近场分布、位相分布和光束透过率的影响,结果显示亚毫米量级散射点的衍射效应引起最大调制可达1．4,光学元件散射面积比小于0．003时才能满足元件透过率大于99．5％的需求。该结果可用于评价高功率激光装置光学元件的加工状况,并对光学元件加工要求和激光装置的洁净度要求有指导意义。     

Diffraction of a modulated laser beam in 3ω optics system

Based on diffraction optical theory, diffraction of a laser beam with periodic amplitude modulation and phase distortion is derived in 3ω optics system. Influence of defocus distance and focal length of a focusing lens on intensity distribution of diffraction light is investigated by numerical simulation. The results show that appropriate distance away from the focus spot and increase the focal length in final optical systems are beneficial to control the modulation of light intensity fluctuations and reduce the optical components damage caused by small-scale self-focusing effect.     

熔石英损伤修复坑下游光场调制的数值模拟与实验研究

系统研究了熔石英激光损伤修复后的形貌特征,根据测量数据建立了典型的损伤修复坑三维模型,利用标量衍射理论并结合快速傅里叶变换算法研究了修复坑在351 nm激光辐照下游光场调制的分布规律.研究表明,修复坑引起的光场调制会使得下游不同距离位置处出现环形光场增强区和轴上位置光场增强点;环形光场增强区位置距离修复元件较近,其环形调制极大值主要受修复坑深度的影响,且随修复坑深度的增大而逐渐增加;轴上位置光场增强点位置距离修复元件较远,其轴上调制极大值主要受修复坑边缘凸起高度的影响,且随凸起高度的增大而快速增加;环形调制极大值或轴上调制极大值增大的同时,其分布位置与修复元件之间的距离均会逐渐减小.实验验证表明,利用三维修复坑模型得到的下游光场调制数值模拟结果与实验测量结果具有较好的一致性.本研究结果对控制熔石英元件损伤修复形貌特征以抑制调制增强效应给出了具体的控制方向,对修复工艺的改进与完善提供了非常有意义的参考.     

高斯光束非线性“热像”效应研究

高功率激光系统中非线性“热像”强度可能达到光学元件损伤阀值，从而对系统的安全运行造成威胁.以往的非线性“热像”现象研究都是基于无限大平面光波背景，但实际系统中传输的是有限束宽光束.本文以高斯光束为例，基于无像差自聚焦理论分析了有限束宽光束的“热像”形成规律.结果表明，高斯光束“热像”的强度与位置在光束腰斑较小时与平面光波情况有明显不同，但光束腰斑较衍射物大得多时，高斯光束可以近似当作平面光波处理.     

光学元件波前畸变对驱动器光路设计的影响

高功率激光驱动器光路设计要考虑像传递、鬼像规避和杂散光管理等多项优化措施.基于衍射光学传播理论,从输出负载能力提升的角度研究大口径光学元件波前特性对驱动器光路设计参数优化的影响.研究表明,驱动器末级光路的排布间隔如果控制在6 m以上,将非常有助于提高激光驱动器的输出负载能力.一般情况下,波前峰谷值达到0.34λ的单块大口径光学元件能使高功率激光的近场光束质量最大下降约10%,达到1.36λ后最大下降约21%;波前分布特性不同的多片大口径光学元件的波前相消叠加有利于降低中频波前部分对装置负载能力的影响,但是,大口径光学元件的非线性效应会加重中频波前对装置输出负载能力的影响;在限定大口径元件损伤阈值20J/cm~2的前提下,光路排布紧凑的激光驱动器末级输入激光通量控制在16.8J/cm~2之下不易损伤光学元件.相对宽松的光路设计可以进一步提高末级输出激光的平均通量水平,非常有利于激光驱动器装置输出负载能力的提升.     

Method for creating hollow light beams with local intensity minima and possibilities for their application

We propose and experimentally realize methods for forming light beams with local spatial intensity minima of different types (hollow light beams), based on application of specially shaped linear optics phase elements. The fields with local intensity minima, obtained as a result of phase conversion, are comparable with respect to transverse dimensions, power, and intensity gradient to the initial gaussian beam focused by means of a spherical lens. The optical layouts were assembled using photostable optical elements and therefore make it possible to create high-power laser fields suitable not only for manipulation of microparticles but also for laser machining of materials, in particular laser welding of metals. Using a phase element with planar symmetry, we can select the optimal laser beam profile that will ensure no burning on the line of contact between the ends of the parts to be welded for high penetration and will make it possible to achieve the maximum possible strength of the weld joint for a specified laser radiation power.     

单晶铁金属表面污染物的激光烧蚀机理

激光惯性约束核聚变装置中要求光学元件能够承受极高的激光通量,因此对装置内部洁净度有很高的要求.研究表明装置内部的颗粒污染物主要来源于装置内的机械结构件,杂散光作用下机械结构件表面的损伤将产生颗粒污染物.精密金属构件的激光诱导损伤问题是制约高功率激光装置超洁净制造的重要因素.由于机械结构件表面不可避免地存在污染物,因此本文基于传统的分子动力学能量耦合方式,模拟了激光与表面吸附污染物单晶铁的相互作用过程,探讨了铁材料在激光作用下的烧蚀行为,并分析了激光加载方式和激光能量密度对铁材料烧蚀的作用情况,对比研究了材料表面有无污染物对材料烧蚀的影响情况.研究表明：激光作用下铁材料表面原子在污染物原子的剧烈碰撞下呈现出不同的运动状态;激光能量瞬时加载时更容易烧蚀铁材料;当激光能量密度低于0.0064 J/cm²时,将去除铁材料表面的污染物并不会对铁材料产生烧蚀现象,进一步分析表明铁材料表面吸附污染物时更容易被激光烧蚀.研究结果可为提高高功率激光装置的内部洁净度、实现系统超洁净控制提供理论依据.     

惯性约束聚变驱动器连续相位板前置时频率转换晶体内部光场研究

本文针对惯性约束聚变驱动器终端光学系统中连续相位板置于基频光路(前置)时,频率转换晶体内部光场分布进行了研究.经研究发现连续相位板前置对基频光的相位调制降低了频率转换效率,增大了频率转换晶体内部光场的不均匀性,它导致晶体激光诱导损伤风险的可能性加大.值得特别注意的是:在频率转换晶体入射和出射端面附近激光调制度和最大光强相对于其他区域高,发生激光诱导损伤的可能性相对更大.因此当不断增大频率转换系统输入的基频光光强时,为保证惯性约束聚变终端光学系统的正常运行需要把连续相位板前置对频率转换晶体内部光场分布的影响 关键词： 惯性约束聚变 连续相位板 频率转换晶体 激光诱导损伤     

基于二元光学设计的高能激光窗口的初步探讨

对非均匀近场强度分布影响强激光远场聚焦效果的原因进行了分析。对高能激光窗口进行了二元光学设计。提高了光束强度分布的均匀性,改善了光束质量。介绍了二元光学设计的基本原理,采用随机并行扰动爬山法对窗口的位相分布、变换后的光束强度分布、衍射效率和光束均匀性进行了计算。计算结果表明,基于二元光学设计的激光窗口能有效地改善光束强度分布的均匀性,提高了发射光束的质量。     

高功率固体激光驱动器污染控制及片状放大器洁净度改进

针对高功率固体激光驱动器的安全运行,提出了覆盖驱动器建设全过程的污染控制方法,详细介绍了洁净清洗、洁净检测、洁净保护等保障污染控制效果的技术手段,并介绍了神光-Ⅲ主机装置片状放大器洁净度提升所采取的技术途径,以及片状放大器光照清洗实验中气溶胶等级随闪光灯照射次数的变化情况。实验结果表明,神光-Ⅲ主机装置的洁净水平与美国国家点火装置(NIF)接近且优于其他同类装置,洁净度的大幅提升为装置的安全运行提供了有力保障。     

“神光-Ⅱ”装置第九路靶场终端光学组件的研制

 针对“神光-Ⅱ”装置第九路系统主激光瞄准精度小于等于30 μm和大焦斑辐照均匀性优于10％的要求，提出了靶场终端光学组件的设计结构。应用有限元法对组件关键机械元件和ICF靶室整体进行动静态分析，优化了设计参数。同时与聚焦透镜配合进行数值分析列阵透镜，确定了单元数、曲率和厚度以及单元长和宽等参数。经过实验测试，主激光瞄准精度达到28.9 μm，大焦斑辐照的形状为1 000 μm×500 μm，均匀性为12.0％。     

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     

Online determination of the source of stray light in the SG-Ⅲ high-power laser facility

Stray light in high-power laser facilities not only decreases the gain capacity of the main amplifier, but can also cause permanent damage to optical components, greatly threatening the safety operation of the SG-III. This Letter reports a technique for quickly pinpointing the source of stray light in the main amplification optical path of the SG-III. The achieved results indicate that the accuracy of our method is up to 1 m in an optical path of100 m. The judging method is effective for examining and removing harmful stray light in the SG-III laser facility and it can be promoted in huge laser facilities of this kind.     

Nd:YAG激光器光栅式扫描预处理的计算模拟与优化分析

 采用计算模拟的方法,研究了光栅式扫描预处理的扫描方式以及脉冲能量波动、定位误差对预处理效率的影响。研究发现,脉冲能量波动及其定位误差使预处理效率降低,同时其影响与扫描方式之间存在相互调制作用,因此可以通过选择合适的扫描方式以及扫描间隔来优化预处理流程,提高预处理效率。此外发现,光斑呈等边三角形排列时的预处理效率优于正方形。     

高功率激光装置大口径光学元件侧面清洗实验

针对高功率激光装置内部最易产生受激布里渊散射(SBS)效应的大口径取样光栅(BSG)元件,测试了经过化学刻蚀、紫外激光清洗作用处理后,大口径光学元件BSG侧面在355 nm激光辐照下的损伤阈值、损伤形态以及产生的石英颗粒气溶胶对环境污染程度的分析。结果表明:经过化学刻蚀,BSG侧面的损伤阈值提高78%,基本与通光面的损伤阈值相当,而经过紫外激光处理后的损伤阈值提升不高,仅为通光面损伤阈值的56%。侧面对比分析了相同激光能量辐照下样片侧面产生的气溶胶污染状况,结果表明紫外激光处理同样可以提高光学元件侧面产生污染物的阈值,且对光学元件性能没有影响。通过微观形貌和对通光口径影响分析表明,紫外激光清洗处理比化学刻蚀具有更好的安全性和适用性。     

A high-power electro-absorption modulated 2d-array laser source for FM/cw scannerless lidar

A scannerless amplitude-modulated (AM) semiconductor lidar (or laser radar) using frequency-modulation continuous wave ranging (FM/cw) techniques is one of the most promising research directions at present. In this lidar system, the high-power AM laser source is a key component of the lidar transmitter. First of all, we present here the architecture of an FM/cw scannerless AM ladar and summarize and analyze various schemes of high-power laser modulation. Then we put forward a new method for obtaining a high-power AM laser output, that is, to compose a two-dimensional (2D) array light source with laser diodes (LDs) and electro-absorption modulation modules (EAMs). Finally, the optical properties of electro-absorption modulated laser arrays are briefly analyzed. The analysis shows that the modulated laser arrays have the features of integration and miniaturization and can realize incoherent light illumination in the far field. This laser array is potentially a more ideal high-power AM laser source applied to an FM/cw scannerless imaging lidar.     

The damage of the optical components induced by the stimulated Brillouin scattering

A theory of excitation of ultrasonic waves in the stimulated Brillouin scattering (SBS) process is presented in this paper. By using several reasonable approximations, a numerical calculation of the transient longitudinal SBS shows that large amplitude of acoustic waves can be built up by the nanosecond pulse of high-power laser, which may result in the damage of optical glasses. The maximal density change and the maximal acoustic wave intensity in optical glasses of 5\,cm in thickness are calculated by using different parameters of the high-energy laser, such as the intensity, the pulse width, and the wave length. The damage threshold of the optical glasses is about 80 GW/cm^{2} when using a 1064 nm laser. The dynamic mechanism of SBS is the electrostriction effect of the components coupling with the high-power laser.     

The Design of Flat Intensity Lenses for Optical Pick-up Units

Beam-shaping optics are used in optical pick-up units to improve the optical power efficiency of the light path. In this paper a flexible method is presented to design beam-shaping optics with aspherical surfaces transforming the intensity profile of the light beam into any desired profile. The method is applied to a collimator lens that transforms a Gaussian beam profile to a flat top.     

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。