相变致冷镜的有限元结构优化

 镜体的结构决定了相变致冷镜抑制腔镜在高能激光辐照下的热变形的效果。比较不同结构形式的相变致冷镜镜面热变形的有限元软件计算结果，并通过一阶非线性优化方法，得到较优的放射状结构：硅基基体外径80mm，厚度12.5mm，光斑直径40mm,吸收功率密度为79.58kW/m²，当其最优沟槽深度为99mm，宽度为0.4mm时，光照10s时镜面热变形达到最小值0.37μm。     

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。     

半导体制冷对镜面热变形影响的数值研究

为了减小激光辐照下反射镜镜面的热变形问题,建立了反射镜热变形的有限元分析模型。对不同制冷功率时的镜面热变形进行分析,然后针对吸收功率为50 W、光斑半径为镜体半径1/3时的TEM00模高斯光束对镜体结构进行优化,对优化后的反射镜在不同参数的TEM00模高斯光束和TEM10、TEM11模厄米特-高斯光束辐照下的热变形进行了分析。仿真结果表明,当施加滞后于激光辐照且与吸收功率近似大小的制冷时,有利于减小镜面热变形,且镜体最终会趋于相对稳定的热平衡状态。此外,当镜体背部切去一厚度为1.4 mm、内径为25 mm的环状区域时,热变形峰谷(PV)值仅为0.005μm;同时,优化后的镜体也可在一定程度上减小其他参数激光辐照下的镜面热变形的PV值。对于TEM00模高斯光束和TEM10、TEM11模厄米特-高斯光束,均满足光学系统对热变形的要求。     

腔镜热变形对非稳腔光场特性的影响

 研究了高功率气体激光器中谐振腔腔镜热变形效应。采用时间离散化方法,利用虚共焦折叠非稳腔3维物理光学负载模型和ANSYS热效应计算程序,将光腔稳态模式的快变过程与镜面变形的慢变过程耦合起来,研究了真实器件的腔镜变形和光场模式的相互作用;计算给出了16 s热变形下硅镜和石英镜面输出功率的下降程度和远场光束质量的退变程度：在16 s热效应下,硅镜实际光斑半径与理想光斑半径的比值变化小于1.5,而石英镜值变化达到4,可知长时运行下选用硅镜明显优越于选用石英镜。     

激光光斑漂移的检测

针对激光光斑漂移设计了一套光斑漂移检测系统。利用该系统实现了对He-Ne激光器出射光束漂移的检测。它采用CCD摄像头和图像采集卡采集激光器输出光斑，通过专门软件对数字图像进行处理，得出光斑漂移的大小；另外，利用几何光学方法得到了激光光束在X方向、Y方向以及空间立体角上的漂移大小。分析了引起光束漂移的原因。结果表明：He-Ne激光器出射光束的指向主要受温度、环境振动、空气扰动和激光器自身结构的影响。该系统能准确地测量出激光器出射光束的漂移大小，实现光束漂移的控制。     

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。     

镜面热变形对空地激光通信链路性能的影响

 低轨卫星在轨运行热环境条件下,不能有效释放热应力的反射镜面将产生热变形,镜面法向偏转可达百μrad量级;经其反射的光束将产生较大的指向偏差,严重影响空地激光通信链路的系统性能。对空地激光通信星上端机目前常用的压板法镜体固定方式进行的分析表明：镜体释放热应力后的法向角度偏差可减小近3个数量级,对由于热变形带来的光束指向偏差能进行很好地抑制,减轻对系统性能的影响。     

热补偿腔镜热变形的研究

采用ANSYS有限元软件,系统模拟了强激光作用下的热补偿全反射硅镜的温度场分布和热变形.详细地研究了不同区域的热补偿和不同的热补偿功率大小对镜面变形峰谷值的影响.结果表明有效的热补偿对镜面变形峰谷值有很大的影响,在非光照区进行热补偿可以大大降低镜体的温度梯度,从而明显减小镜面变形的峰谷值.热补偿腔镜特别适合于机载或车载军用强激光器.     

角隅全反镜谐振腔激光器的输出特性

 在高功率脉冲气体激光器中，用角隅反射镜作为全反镜，平行平面镜作为输出镜构成角隅全反镜谐振腔。对角隅腔激光器的输出特性和抗失调稳定性进行了研究，并与平凹腔和平平腔激光器进行了比较。实验结果表明：在角隅全反镜失调角为16 mrad时，角隅腔激光器的单脉冲输出能量下降9.2%，且近场输出光斑没有明显变化；而凹面全反镜失调角仅为0.4 mrad时，平凹腔激光器输出能量下降了9%，近场输出光斑严重变形。在输出镜正前方3.12 m处测量，当角隅镜偏转16.3 mrad时，激光器输出光斑与标准状态时的输出光斑重合；凹面全反镜失调角为0.4 mrad时，激光器输出光斑位移14 mm。经模式仪分析表明，角隅腔激光器近场光强分布均匀。     

CW-COIL激光束漂移和光斑的诊断

 利用光斑动态分析仪测试技术，对连续波氧碘化学激光器输出的光束不稳定性进行定量诊断，其中包括光束的漂移、低频抖动、光强分布、光斑直径随时间的变化等内容，并初步分析了激光输出不稳定的原因。诊断的结果为激光器的稳定输出及激光—材料实验研究提供了依据。     

射流式水冷镜结构优化设计

 分析了影响射流式水冷镜形变的各种因素,利用ANSYS有限元分析软件,对各项结构参数对镜体形变的影响进行了数值模拟,探索出射流式水冷镜结构设计的一般规律,得到了镜体结构的优化设计方案。数值结果表明：在镜体直径80 mm、镜面净吸收功率100 W、光斑直径25 mm、使用硅作为镜体材料的情况下,射流式水冷镜镜面最大形变可低至0.07 μm,明显优于其它类型的水冷镜。     

相变制冷复合镜研究

 提出一种新的复合式腔镜结构,利用硅镜（钼镜）和铜镜的优点,避免它们的缺点,可以有效地减小热畸变。对钼、铜复合镜作了与硅镜的对比实验。实验结果表明钼、铜复合镜的热畸变比硅镜的约小一半。     

相变制冷复合镜研究

提出一种新的复合式腔镜结构,利用硅镜(钼镜)和铜镜的优点,避免它们的缺点,可以有效地减小热畸变.对钼、铜复合镜作了与硅镜的对比实验.实验结果表明钼、铜复合镜的热畸变比硅镜的约小一半.     

Laser beam shaping with magnetic fluid-based liquid deformable mirrors

A new controllable laser beam shaping technique is demonstrated, where a magnetic fluid-based liquid deformable mirror is proposed to redistribute the laser phase profile and thus change the propagation property of the beam. The mirror is driven by an inner miniature actuator array along with a large outer actuator. The inner actuator array is used for deforming the magnetic fluid surface, while the outer actuator is used to linearize the fluid surface response and amplify the magnitude of the deflection. In comparison to other laser beam shaping techniques, this technique offers the advantages such as simplicity, low cost, large shape deformation, and high adaptability. Based on a fabricated prototype of the liquid deformable mirror, an experimental AO system was set up to produce a desired conical surface shape that shaped the incident beam into a Bessel beam. The experimental results show the effectiveness of the proposed technique for laser beam shaping.     

强激光热管冷却镜的数值研究

 为消除强激光微沟道水冷镜冷却水压力和扰动对激光输出稳定性的影响和冷却水道对冷却水流量的限制,提出并设计了热管冷却镜。采用ANSYS有限元软件,模拟计算了相同结构下镜面热吸收为12 W/cm²,实心镜、微沟道水冷镜与热管冷却镜连续工作60 s下镜体温升和镜面变形量。计算结果表明：热管冷却镜镜面轴向位移最大峰谷值为0.109 4 μm,微沟道水冷镜最大峰谷值为0.845 μm,实心镜镜面最大峰谷值为1.33 μm,热管冷却镜对镜面变形改善显著。     

有限元在大口径镜面研制中的应用

大口径光学反射镜镜面受自重影响变形较大,研究它在磨制和检测中的支撑结构和形式是非常重要的。采用有限元软件从理论上分析了Φ1330mm平面反射镜和Φ616mm非球面轻量化碳化硅主镜在磨制和检测中的支撑结构和形式,以使反射镜面形变形最小,保证其光学成像质量达到一定的技术要求。通过实际测量Φ616mm非球面碳化硅主镜在不同支撑状态下的面形变化情况,验证了理论分析结果。根据实际效果值用有限元进一步优化组合了最佳的支撑结构和形式,为今后对更大口径反射镜面的磨制和检测提供了指导。     

Numerical Simulation and Analysis on Deflection of Silicon Mirrors Irradiated by High Power Laser

ＮｕｍｅｒｉｃａｌＳｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄＡｎａｌｙｓｉｓｏｎＤｅｆｌｅｃｔｉｏｎｏｆＳｉｌｉｃｏｎＭｉｒｒｏｒｓＩｒｒａｄｉａｔｅｄｂｙＨｉｇｈＰｏｗｅｒＬａｓｅｒＸＩＡＪｉｎａｎ；ＣＨＥＮＧＺｕｈａｉ；ＱＩＵＪｕｎｌｉｎ（ＮａｔｉｏｎａｌＬａｂ...     

射流式水冷镜换热性能及在高能化学激光器中的应用

加工了射流式水冷铜镜模型,采用红外热像仪测量了冷却过程中镜面温度分布云图,证明了射流式水冷镜冷却的均匀性。采用热电偶较精确地测量了铜镜冷却过程中镜面温度的变化,实验结果与数值模拟吻合较好,验证了射流式水冷镜数值模型的可靠性。结合高能化学激光器中水冷镜实际情况,对直线沟槽型水冷镜和射流式水冷镜的形变特性进行了分析。计算结果表明,高能化学激光器水冷镜必须承压加工才能使用,射流式水冷镜可以很好地应用于高能化学激光器。此外,进一步分析了冷却孔直径和数量这两个参数对大口径射流式水冷镜形变的影响,结果表明:在孔数一定的情况下,采用更大口径的冷却孔,镜面冷却速度快、镜面最大温度低,可以获得更小的镜面形变;采用更多的冷却孔可以获得更好的冷却效果。     

High-Speed and Large-Scale Electromagnetically Actuated Resonant MEMS Optical Scanner

A high speed electromagnetically actuated resonant micro-electromechanical systems (MEMS) optical scanner with large mirror area of 6×4mm² has beendeveloped. The MEMS optical scanner chip is fabricated using bulk silicon micromachining process and electroplating technique, and can generate the maximum optical deflection angle of ±6.8°circ at the 2.95kHz resonant frequency with a quality factor of 197 in air under the low power consumption of 50mW, when it is immersed in a constant 510.2mT magnetic field parallel to the coil plane. In addition, the surface roughness of less than 20nm for scanning mirror has been measured and the optical reflectivity of mirror atwavelength of 1550nm is high up to 85%. The results show that the device can satisfy the demands of mm-sized scanning systems in optical communications.     

激光器腔镜夹持方式对热变形的影响

 分析了当前大功率激光器腔镜采用的几种夹持方式特点，采用有限元软件计算了腔镜不同夹持方式下的镜面热变形和镜体最大应力，并对两种夹持方式下的应力破坏进行了分析。发现夹持方式对大功率激光器腔镜镜面变形影响很大，镜体边界沿径向固定的压圈法效果优于沿轴向固定的弹性压板法。