用于激光二极管抽运固体激光器热畸变补偿的MEMS微变形镜设计

以MEMS微变形镜驱动方式的选取为出发点,从光学特性和力学特性两方面对MEMS微变形镜进行分析.从中得出相关结构参数对微变形镜性能的影响关系.并在此基础上结合补偿激光二极管抽运固体激光器(DPL)热畸变的使用要求设计了一种新型MEMS连续面型微变形镜,并采用设计的MEMS变形镜搭建了一个闭环自适应光学实验系统,补偿了激光光束的热畸变.实验结果显示该MEMS连续面型微变形镜可对腔内畸变进行有效补偿,同时提高了激光器的输出功率及光束质量.     

用于激光二极管抽运固体激光器热畸变补偿的微变形镜特性研究

在很多高功率的激光器中,由于热效应的缘故会导致激光器的光束质量大幅下降。为了改善激光光束的动态畸变,自适应光学是一种有效的方法。作为自适应光学系统的核心部件,设计了一种可用于大功率激光二极管抽运固体激光器(DPL)热畸变补偿的新型可变形反射镜,并且通过工艺流片实际制造出有效反射面积为30 mm×30 mm,拥有49个静电驱动单元的可变形反射镜。对该微机电系统(MEMS)微变形镜的变形特性进行了详细的理论分析和模拟研究,并和实际测量结果进行了比较,得到了满意的结果。为了实现闭环控制,对微变形反射镜的光学影响函数矩阵进行了全面测量,并用得到的电压矩阵对畸变激光光束的波前进行了校正。实验结果表明,微变形反射镜可以有效地改善激光光束质量。     

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.     

微变形镜内腔补偿激光模式畸变研究

 采用Fox-Li迭代方法,对畸变相差以Zernike多项式展开,计算了不同菲涅耳数的谐振腔在畸变发生时的低阶输出模式,分析了激光器谐振腔内畸变对激光输出模式的影响。对微变形镜的面形以Zernike多项式进行拟合,计算了中心电极的影响函数,并建立了微变形镜控制模型。实验上将微变形镜作为激光器的一个腔镜,验证了微变形镜对激光输出模式的补偿作用。结果表明,内腔微变形镜对激光输出模式具有校正作用,激光基本上可以达到基模输出。     

内腔自适应光学系统校正激光器畸变

固体激光器中,增益介质由于热沉积产生的热畸变严重影响了激光器的稳定性、输出功率和光束质量。研究了一种内腔自适应光学系统校正激光器腔内畸变的方法,利用微机电变形反射镜作为固体激光器的内腔全反射镜,通过控制变形镜的面型改善激光器输出光束的模式及功率。从腔外引入的一束信标光通过激光器内腔后反射出腔外,用波前探测器可测得激光器工作时腔内畸变对此信标光的影响,并通过搭建的自适应光学系统平台可闭环校正此畸变。实验结果表明,闭环校正后,激光器的输出功率提高了近3倍,且激光光束质量得到了明显的改善。     

强激光全反腔镜热变形模型及计算

建立了高功率连续激光器全反腔镜的热变形模型，并用有限差分法对镜内的温度场分布及热变形做了数值计算，得出了全反腔镜热变形和反射镜厚度及半径的一般关系，计算了反射镜因冷却水压产生的压力变形，并与热变形做了比较，计算结果和实验数据符合得很好。     

变形镜受热变形引起的波前畸变仿真及补偿

针对变形镜自身受强激光辐照后热变形问题,利用ANSYS的多物理模型建立了变形镜的热机械模型并进行了计算。针对受强激光辐照后变形镜吸收了部分热量并产生了0.9μm的变形量,根据该变形镜热畸变分布特征,提出了一种利用补偿镜对热畸变进行补偿的方法,即在一个薄型镜面背后用一些约束头固定构成补偿镜,放置在变形镜的后续光路中。约束头在补偿镜上的位置与极头在变形镜上的位置对应错开分布。对三种不同形状约束头的补偿镜进行了计算,补偿后综合变形量降低到0.35,0.32和0.40μm。利用光束传输因子(BPF)对理想光束通过补偿镜后的效果进行评价,结果表明通过三种补偿镜后BPF值从0.906提高到了0.966,0.971和0.957。进一步的计算表明,补偿效果受约束头尺寸的影响较小。     

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。     

高光束质量、高功率稳定性激光器的设计及实验研究

高光束质量、高功率稳定性激光器在激光加工、激光测量等领域具有广泛的用途.为了实现激光器腔内光斑聚焦同时减少色散和体积,人们常常将曲面反射镜用在激光谐振腔中,但光束倾斜入射到曲面反射镜往往会引起像散,从而导致光斑质量恶化,并降低激光器的性能.另一方面,在高功率激光器或超短脉冲激光器中,激光增益介质热透镜焦距的起伏,是导致激光输出功率波动的主要原因之一.针对激光器的像散和功率波动这两个问题,本文提出了一套简单高效的解决方案,在考虑像散补偿和热透镜效应的基础上,基于传播变换圆理论,首次提出一种可实现高光束质量、高功率稳定性激光器谐振腔的设计方法,并对采用该方法所设计出的超短脉冲激光器进行理论与实验研究.研究结果表明,利用该方法设计的激光谐振腔,两端臂像散能够完全被补偿,实验上实现了基模高斯光束输出;当激光晶体热透镜焦距改变时,该方法所设计出的激光谐振腔内各关键位置光斑半径的变化,显著地小于普通谐振腔,在相同外界条件下,其输出激光功率稳定性明显优于普通激光器.     

高功率高重复频率全固态激光器热透镜效应补偿与分析

将kHz高功率固体激光器增益介质当作厚透镜处理,建立了热透镜效应分析的理论模型,使用矩阵的方法对等效热透镜腔进行分析.对增益介质抽运均匀性进行了改善,通过分析模拟计算结果,设计了混合非稳腔结构,选择了最佳凸面镜曲率半径对热透镜效应进行补偿.试验结果表明,补偿效果明显,kHz高功率全固态激光器的光束发散角优于1.3 mrad.     

热透镜的球差效应对大基模体积激光谐振腔模式的影响

固体激光器在强抽运的条件下,激光晶体热透镜的球差效应是不容忽视的,尤其是在大基模体积的动态稳定腔中,会影响谐振腔的振荡模式,进而影响腔内损耗和输出功率.通过Fox-Li的衍射迭代算法,分析了谐振腔的自再现模,表明在热透镜球差效应作用下,基模的光强分布出现了旁瓣,并由此带来了光束质量的下降,最后通过实验结果验证了理论分析,指出光束填充因子是激光器设计的一个重要因素,其最佳值需要根据球差效应的强弱,通过实验的方法来确定. 关键词： 热透镜 球差效应 谐振腔模式     

同质材料反射系统热特性研究

为从原理上阐述同质材料反射系统的温度特性,并为光学系统设计提供依据。以热变形特征及其计算方法为基础,以光学系统焦点为研究对象,依次介绍单反射镜、共轴多反、离轴反射系统的温度特性,并建立了相应热差模型。仿真结果表明,离轴三反系统后焦距随温度的变化情况与对应镜筒的热变形量完全一致,其在较大温差范围内具有良好的成像质量。由温度变化引起的热离焦可被镜筒补偿,验证了理论模型的正确性,得出在均匀温度场条件下同质材料反射系统无热差的结论。因此,当光学系统尤其是热差效应明显的红外系统采用同质材料反射系统时具有良好的温度适应性。     

低功率激光热透镜效应的模拟及研究

与高功率激光相比,低功率激光更安全,其热透镜效应对激光功率变化更敏感,更适合用于实验教学.本文利用有限元法模拟低功率激光的热透镜效应,模拟介质温度场和等效热透镜焦距,定量探究低功率激光热透镜焦距与激光功率以及介质热吸收率、厚度的关系.模拟结果与实验数据符合良好,为探究低功率激光热透镜效应实验提供理论依据.     

基于传播圆补偿像散的被动锁模激光器谐振腔设计方法

由于超短脉冲激光器的谐振腔大都采用多镜折叠的形式,像散已成为影响锁模激光器性能优劣的重要问题.本文提出了一种基于传播圆补偿像散的被动锁模激光器谐振腔设计方法,该方法简单、直观、高效,容易找到补偿像散的最佳位置.理论研究表明,当SESAM位于子午和弧矢传播圆交汇处附近时,SESAM处的子午光斑和弧矢光斑大小几乎相等,像散得到补偿.该谐振腔对外界干扰引起的腔镜振动和热透镜焦距的变化均不敏感,谐振腔的抗干扰性很强.实验研究表明,当SESAM位于子午和弧矢传播圆交汇处附近时,锁模激光器可获得稳定连续的锁模激光脉冲,且激光器的抗干扰性很强.本文的理论研究与实验结果相一致.     

Influence of spherical aberrations on fundamental mode beam quality under different laser resonators

Spherical aberrations of the thermal lens of the active media are severe when solid state lasers are strongly pumped. The fundamental mode profile deteriorates due to the aberrations. Self-consistent modes of a resonator with aberrations are calculated by using the Fox--Li diffraction iterative algorithm. Calculation results show that the aberration induced fundamental mode beam quality deterioration depends greatly on the resonator design. The tolerance of a flat--flat resonator to the aberration coefficient is about 30λ in the middle of stability, where λ is the wavelength of laser beam. But for a dynamically stable resonator, 2λ of spherical aberration will create diffraction loss of more than 40%, if inappropriate design criteria are used. A birefringence compensated laser resonator with two Nd:YAG rods is experimentally studied. The experimental data are in quite good agreement with simulation results.     

薄片激光器热效应及其对输出功率的影响

建立了光强分布为高斯型的抽运光端面单程抽运时薄片激光器的温度模型, 实验测量了不同抽运功率下薄片介质表面的 温度分布、温度随时间的变化特性以及介质表面的温度差. 采用Hartmann法测量了薄片介质的热焦距. 考虑热焦距随抽运功率的变化, 基于四能级系统薄片激光器的速率方程组, 建立了薄片激光器热效应对输出功率影响的物理模型, 薄片激光器输入-输出功率曲线与实际相符. 所得结果对薄片激光器的设计和优化具有一定的指导意义.     

侧面泵浦主振荡功率放大器中的光束质量提高

报道了一种利用球差补偿效应提高侧面泵浦主振荡功率放大器输出光束质量的实验装置。在理论上提出了一种新的球差补偿方法,利用正球差经过会聚透镜焦点后向负球差转化的现象,补偿下一放大级中的正球差效应。在实验上搭建了两级放大的侧面泵浦Nd:YAG主振荡功率放大器。在连续输出的情况下,从振荡级输出功率为42W、光束质量因子为1.48的种子光,经过一级放大后的功率为74W,光束质量因子恶化为1.80;继续经过二级放大后,光束质量因子提高为1.40。实验结果表明,所提出的球差补偿理论是提高激光放大过程中光束质量的有效手段。     

Influences of pump beam distribution on thermal lensing spherical aberration in an LD end-pumped Nd:YAG laser

A numerical investigation is made on the thermal lensing and spherical aberration effect in an LD end-pumped Nd:YAG laser. Based on the finite element method (FEM), the laser rod temperature distribution is calculated and the focal length of the thermal lens is deduced, the influences of pump beam on the thermal lensing spherical aberration are mainly studied. The results show the thermal lens which focal length varied with the radial coordinate r is not an ideal lens. Given the heat dissipation boundary conditions, the radial dependent focal length will be shortened when the pump power raised or the waist radius of the pump beam reduced, meanwhile the radial differences of the focal length will decrease when the pump power increased. For a Super-Gaussian profile pump beam, the higher the exponent number, the more similar to flat top the pump beam is, and the less the radial differences of the focal length are.     

高效外腔倍频产生426 nm激光的实验研究

利用与铯原子吸收线对应的852 nm半导体激光作为基频光,泵浦基于周期极化磷酸钛氧钾(PPKTP)晶体的环形腔,进行高效外腔谐振倍频并产生426 nm激光.在理论分析小角度环形腔内的热透镜效应基础上,发现晶体中等效热透镜中心位置并非在晶体的几何中心.在理论分析的基础上,实验上通过精密平移台精细调节PPKTP晶体在腔内位置,使得等效热透镜中心位置与谐振腔的腰斑位置重合,进而减小晶体热透镜效应导致的模式失配对倍频效率的影响.在泵浦功率为515 mW时产生了428 mW的426 nm激光输出,对应的倍频转换效率为83.1%.此高效倍频过程为制备与铯原子吸收线相匹配的非经典光场提供有效泵浦光,为推动量子非经典光场的应用以及量子信息科学的发展奠定基础.