利用多相位片实现光束整形

光束整形是许多应用所必须的，偿试利用二元光学的方法选择合适数的相位片对光束进行整形，并就高斯光束均匀化为例进行了数值计算。     

二极管泵浦Nd:YAG板条双通放大器技术研究

对二极管泵浦NdYAG板条双通放大器进行了理论设计和数值计算.在注入能量1 mJ,小信号增益为0.23 cm-1时理论计算结果为双通放大器输出能量为229.8 mJ.实验在10 Hz时获得单脉冲输出能量216 mJ;400 Hz时获得单脉冲输出能量203.4 mJ,光束质量因子小于5,激光脉宽为16.9 ns.实验结果与理论计算基本吻合.用相位共轭镜取代0°全反镜,超高斯镜取代振荡级输出镜,并采用镜面均匀的光学器件可以改善光束质量及光斑均匀性.     

准分子激光光束均匀性的评价指标研究

 详细研究了准分子激光光束均匀性的各项评价指标，加工窗口描述了加工任务本身对光束均匀度的要求；能量分数回答了具体加工窗口即均匀度要求下的能量利用率问题；平顶因子则描述了整个光斑能量分布范围内的均匀性问题。利用激光波面分析仪对不同均匀器所获得的均匀光束进行评价比较，蝇眼透镜均匀器能量利用率高，整个光斑内的均匀效果好，但最佳均匀截面的位置动态范围小；组合棱镜均匀器均匀截面动态范围大，但整体均匀效量较差。     

反射镜热畸变对高能激光系统输出光束质量的影响

高能激光系统中,反射镜镜面热变形会使系统的输出光强和波前分布不均匀性加剧,从而导致输出光束质量的下降。建立了复杂镜面光线追迹的模型,使用Fresnel衍射公式和光线追迹的方法,研究了高能激光系统内通道不同数量22．5。反射镜对输出光束质量的影响。该方法和部分结果对高能激光系统激光器的优化设计,激光内通道冷却方式以及自适应光学校正能力设计参数的选取具有一定的参考价值。     

二元振幅型面板用于光束空间整形

为了提高高功率激光系统的整体效率和充分利用光能,需要对前端注入的高斯光束进行空间整形,实现驱动器终端激光的均匀化输出.采用振幅型二元面板对激光光束进行空间强度整形,利用误差扩散法进行了理论设计,数值摸拟了整形效果,同时讨论了面板加工误差以及空间滤波器的小孔大小等因素带来的影响.根据理论设计,分别加工了反高斯透射率分布和抛物线透射率分布的二元面板,并进行了整形实验,实现了各自的整形功能,并做了误差分析.实验让明二元面板能对激光光束的空间强度分布实现了精确的整形.     

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。     

束旋转90°对束变换环孔腔输出性能的影响

 使用积分方法和差分方法结合的快速计算方法，在实际燃烧驱动氟化氢化学激光器增益介质沿径向分布不均匀的情况下，考虑在光束变换环形孔径激光谐振腔的紧束段引入光束旋转90°对其输出性能的影响。计算结果显示：在无腔失调的情况下，在紧束段引入光束旋转对束变换环孔激光谐振腔输出功率及光束质量的改善并不显著；在存在腔失调的情况下，紧束段光束旋转对于输出功率和光束质量的改善有显著效果。     

光束整形在激光照明中的应用

提出利用光束整形技术提高激光照明均匀性、调节照明远场光斑尺寸的方法,用Easylaser激光仿真软件分析光束截断比对照明均匀性的影响,分析大气湍流条件下光束整形对照明均匀性的影响,并比较调节光束质量与光束整形对照明均匀性的影响。结果表明:光束整形具有调节照明激光远场光斑尺度及均匀性的能力,相位调节因子越大,整形后远场光斑半径越大、均匀性越好;光束截断比越大照明均匀性越好;弱湍流条件下,光束整形比调节光束质量的照明激光远场光斑均匀性更好。     

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     

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。     

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。     

General design basis for a final optics assembly to decrease filamentary damage

The high-power laser beam in the final optics assembly of high-power laser facilities is often modulated by contamination particles, which may cause local high light intensity, thereby increasing the filamentary damage probability for optical components. To study the general design basis for a final optics assembly to decrease the risk of filamentary damage,different-sized contamination particles deposited on a component surface are simulated to modulate a 351-nm laser beam based on the optical transmission theory, and the corresponding simulation results are analyzed statistically in terms of the propagation characteristic and the light field intensity distribution of the modulated laser beam. The statistical results show that component thickness and distance between components can to some extent be optimized to reduce the appearance of local high light intensity, and the general design basis of component thickness and arrangement are given for different control levels of particle sizes. Moreover, the statistical results can also predict the laser beam quality approximately under the existing optics design and environmental cleanliness. The optimized design for final optics assembly based on environmental cleanliness level is useful to prolong the lifetime of optics and enhance the output power of high-power laser facilities.     

Beam Shaping Optics for YAG Laser Processing Fabricated by Computerized Numerical Control Lathe

A method for a beam shaping optics is proposed to convert a laser beam profile into arbitrary required intensity distribution. Surface profile of the beam shaping optics is designed by using Snell's law to convert the required intensity distribution at the beam irradiation plane from the input intensity distribution. A computerized numerical control (CNC) lathe is employed to fabricate the beam shaping optics, and acrylic resin is used for the material. The acrylic resin plate is cut by a ball type of grinding wheel tool consisted on diamond powder and polished by a cone type felt buff with alumina ceramics powder. The CNC lathe is powerful tool to control the position of these tools. The fabricated beam shaping optics is aspheric shape with 4 mm of thickness and it works to convert the intensity distribution of multi-mode beam profile with 13 mm of diameter into a flat top cylinder with 1 mm of diameter. A working distance of the beam shaping optics is 60 mm, and its transmittance is over 98%. It succeeds to fabricate uniform melting mark of 0.6 mm diameter on a steel target by the YAG laser process.     

高功率固体激光装置光学元件"缺陷"分布与光束近场质量的定量关系研究

基于光传输理论,获得了弱调制情况下光学元件"缺陷"分布功率谱密度 (power spectral density, PSD)与光束近场强度分布PSD之间的定量关系;通过数值模拟的方法,针对高功率固体激光装置的基本单元(线性介质、非线性介质以及空间滤波器)对获得的理论关系进行了具体的验证和讨论.研究结果表明,弱调制下,只存在振幅型或位相型"缺陷"分布时,光学元件"缺陷"分布PSD与光束近场强度分布PSD通过近场强度分布PSD的系统传输因子联系,传输因子与系统的构型和运行状态有关.研究结果为光学元件"缺陷"分布指标的获得提供了理论基础,对高功率固体激光装置负载能力的提升起到了一定的指导作用. 关键词： 缺陷分布 功率谱密度 光学元件 光束质量     

固体板条MOPA激光光束质量主动控制

详细介绍了固体板条MOPA激光系统输出光束特性,包括光束近场强度分布、波前畸变空间特性和时间频率特性等,并以此为设计输入,研制了大动态范围高空间分辨率变形镜。研制的自适应光学闭环校正系统在强光条件下,实现了全程闭环控制,光束质量因子平均值从开环7.4提高到4.06。根据当前波前闭环校正残差,提出了进一步提高MOPA系统输出光束质量的方法。     

高能激光器气动窗口光束质量的评价方法探讨

 通过对高能激光器气动窗口的研究现状和应用需求的分析，指出建立一套气动窗口光束质量的评价方法是十分必要的。在分析气动窗口工作机理和现有激光光束质量评价因子的基础上，提出一种评价气动窗口光束质量的方法，即用斯特列尔比来评价气动窗口的光束质量，并辅以相对衍射极限因子进行远场直观说明。分析表明，此种评价方法是可行的，并达到了不受限于气动窗口类别的光束质量评价的要求。     

划痕型缺陷对光场质量的影响

为了研究高功率激光系统中划痕型缺陷对光场质量的影响,采用分步傅里叶算法对非线性近轴波动方程进行求解,模拟分析了不同划痕参数(长度、宽度、深度)下,元件内部、光束近场、元件后传输光场以及光束远场的光强分布情况。数值模拟结果表明:随着划痕长度、宽度或深度的增加,元件内部以及元件后传输光场的峰值强度和对比度均会相应增强;光束近场的光强对比度也会略微增大;对于光束远场的强度分布,与划痕宽度方向所对应的频谱能量会不断增强。该项研究工作可以为划痕检验标准的制定提供一定的定量分析依据。     

线激光束均匀化整形方法研究

为解决核物理工程、表面热处理、激光加工、激光通信中传输激光束的均匀性问题,提出采用三角楔柱透镜改善线激光均匀性的新方法,并在ZEMAX开发环境下建立了整形光路系统的理论模型。利用所建立的模型,分析了整形柱透镜在不同半径、斜面夹角、透镜介质折射率等参数下光束的均匀性。研究表明：在远场条件下,通过改变整形柱透镜的参数,能够得到能量分布均匀的线激光。在实际应用中,可以采用1个半圆柱和2个相同三角楔胶合成型的简单工艺。进一步模拟发现,两种整形系统所得到的均匀度和线宽一致。     

提高能量密度的超衍射极限激光光束相位补偿技术

定义了激光光束衍射远场光斑压缩前后的能量比以及能量密度比来衡量超衍射极限激光光束的质量。通过利用反向传递算法设计了合适的补偿相位板,不但对准直放大的单一横模激光光束进行小于光学衍射极限的发散度的压缩,同时又保证光束能量集中于压缩后的远场衍射主瓣中,使压缩后的远场衍射光斑的能量密度增加。给出了相应的实例。这一结论不但解决了光学超分辨中光束压缩与能量损失不可避免这一矛盾,而且为发散度小且能量密度高的超衍射极限激光光束的实验工作以及该类光束的实际应用提供了理论基础。     

固体激光器光束合成特性分析

光束合成是研制高功率、高光束质量固体激光器的必由途径.建立板条介质固体激光器阵列光束合成的理论模型,从子束间距、整体相位差、偏振态、随机像差等方面,分析了合成光束的远场特性.通过数值模拟可以看到,子束间距决定了合成光束远场光斑的衍射旁瓣的大小和多少;子束间整体相位差决定着合成光束远场中心光斑是否分离,并影响着峰值光强和...