高能高功率激光参数测量技术研究

简述了高能高功率激光技术的发展现状及其计量测试需求,介绍了近年来开展的高能高功率激光参数计量测试研究取得的进展,给出激光功率能量、时域参数和空域参数等测量原理和方法。指出了高能高功率激光参数测量面临的主要问题及需要突破的关键技术,包括大动态范围功率能量“无畸变”衰减技术、激光功率能量现场测量技术和功率能量计溯源及后向散射补偿方法等。     

高功率微波辐射场功率阵列测量装置研制

基于高功率微波辐射场分布积分方法,通过衰减、延迟、合路等技术手段,研制了一套高功率微波辐射场功率阵列测量实验装置。该装置仅利用一台示波器就可以同时测得16个不同点处的高功率微波辐射场波形,由此得到不同点处的功率密度,在辐射天线方向图旋转对称的条件下,利用编写的程序可以迅速求得单次、短脉冲高功率微波源的空间辐射功率,并在X波段相对论返波管高功率微波源功率测试中得到应用,为高功率微波功率测量特别是单次HPM功率测量,提供了一种新的功率测量阵列装置。     

平面反射镜反射率检测系统研究

为实现在高功率激光装置中对平面反射镜反射率的高精度测量,提出了将双光束分光光度法与VW测量法相结合,利用扩束后的测量光束测量被测元件的反射率.推导了计算公式,搭建了测量光束口径为50mm的检测系统,通过对标准吸收玻璃吸收值的测试验证了系统对光束能量测试的准确性.利用该系统对高功率激光装置使用的反射镜的反射率进行了测量,...     

高功率激光器光束质量测量的衰减缩束仿真研究

光束质量因子M²是表征高功率激光器横模特性的主要参数,针对目前光束质量分析仪只能用于小口径、低功率激光器光束质量评估的问题,开展了高功率激光器光束质量测量的衰减缩束技术原理与仿真研究。建立了衰减缩束组件的仿真模型,利用有限元的方法对光学元件在高功率激光下的热致像差进行研究,得出热致像差的峰谷(PV)值小于82 nm时,对光束质量因子的影响小于5%。当光束通过衰减组件时,如果发生退偏,光束质量因子将偏小。基于泽尼克多项式和光束质量因子计算模型,研究分析了缩束组件波前畸变对测量的影响,并通过Zemax仿真分析看出,在装调时入射光与缩束组件中心光轴夹角视场小于7°时,对光束质量因子测量的影响小于5%。     

高功率PIN限幅器设计及测试方案

 介绍了利用PIN二极管进行高功率无源限幅器的设计方法,分析了影响限幅器功率容量、限幅电平、尖峰泄露、响应速度及恢复时间等的因素。利用平面微带电路的形式,提出了无源检波式及主动式PIN限幅器设计,仿真结果表明:该无源检波式限幅器起限电平约为-3 dBm,脉冲功率容量60 dBm,限幅电平15 dBm左右。针对设计的限幅器,提出了用于测试限幅器性能的高功率实验平台。该平台采用双路双频耦合测量,具有很高的大小信号隔离度,能够进行高功率脉冲、连续波测试,在准确测量限幅器的功率容量、限幅电平、响应速度及恢复时间等指标方面具有很高的可靠性。     

抑制幅频调制的时间功率曲线的远程精确测量

采用单偏振光纤远程传输待测光,结合上升沿与顶端波形分离处理的时域恢复算法,提出一种远程精确测量激光时间功率曲线的方法,并对高功率激光驱动器前端系统中1 053nm脉冲光的时间功率曲线进行了远程测量实验.结果表明,该方法有效避免了幅频调制对激光脉冲时间功率曲线测量的影响,获得了高保真的远程传输时间波形,引入的误差在每1ns范围内小于0.8%,可用于高功率激光系统的时间功率曲线远程集中测量.     

放大自发辐射对激光冲击处理7050铝合金的影响

 利用高功率钕玻璃激光器对7050铝合金表面进行了冲击处理,保持泵浦功率不变,用压电传感器和示波器测试了激光冲击产生的压力波形,用X射线应力测量仪测量了激光冲击后铝合金表面的残余应力,并用非接触式光学轮廓仪分析了激光冲击后铝合金的表面形貌,研究了放大自发辐射强度对激光冲击处理7050铝合金冲击压力、残余应力和粗糙度影响的微观机理。研究结果表明:在泵浦功率不变前提下,放大自发辐射强度的增大降低了激光冲击波压力,铝合金表面残余压应力也随之降低,同时铝合金表面粗糙度增大。     

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。     

36 W侧面抽运腔内倍频Nd:YAG/KTP连续绿光激光器

通过优化平-凹-平三镜折叠腔结构设计,利用大功率半导体激光器侧面抽运、Ⅱ类相位匹配KTP晶体腔内倍频,获得高效高功率连续绿色激光输出.当抽运电流约为36 A时,得到最高36.6 W的连续绿光激光输出,对应的光—光转换效率为8.71％.在输出功率33 W时测量激光功率稳定性,其功率不稳定度为0.27%.用刀口法测量了激光器高输出功率时的光束质量,光束质量因子小于8.对高功率抽运情况下三镜折叠腔的像散补偿、失调灵敏度和基模在腔内分布情况做了数值模拟. 关键词： 侧面抽运 腔内倍频 连续波     

基于漏波波导X波段高功率微波天线的实验

在确定天线数值模型的基础上,结合高功率微波天线的真空需要与实验装置情况,设计并加工了X波段基于漏波波导的高功率微波天线,对该天线分别进行低功率和高功率条件下的性能指标测试。在低功率条件下天线测试结果表明:在9.6 GHz下天线增益为26.3 dBi,天线方向图与数值模拟结果一致。在SINUS881加速器上利用返波管进行了天线高功率测试,实验结果表明:天线功率容量大于200 MW,高功率测试方向图、低功率测试方向图和数值模拟取得较为一致的结果。     

激光功率测量系统

Iabsphere 公司的 LPMS-400激光功率测黾系统是一种精密的光功率计,特别适合用于测量0.4～1.1μm 范围内任一波长的激光器和激光二极管的总输出功率。该系统适用于激光系统的品质控制、激光功率在线监控和高功率激光器的直接输出测量。     

基于光压原理的大功率激光功率测量北大核心CSCD

大功率激光功率测量常用量热法,但溯源复杂。介绍了具有较高测量精度的基于光压原理的大功率激光功率测量方法,设计了利用1/10^(5)精度天平大功率激光测量实验,测试了基于GaAs半导体材料制作的反射镜的反射率及损伤阈值,确定了基于GaAs半导体材料反射镜的相关性能。得到了普通实验室条件下的功率测量重复性及线性,验证了1/10^(5)精度天平用于大功率激光测量的可行性。通过实验结果结合理论计算,得出利用1/10^(5)精度天平的光压测量功率的测量上限可以达到3×10^(4)W以上。     

高功率Yb:YAG陶瓷板条激光放大器的理论设计与实验研究

理论设计和制作了Yb:YAG陶瓷板条,通过铟砷化镓(InGaAs)二极管抽运、1030nm种子激光注入以及双程放大,在室温下实现了高功率的1030nm激光输出。种子激光注入功率为1.18kW和总抽运功率为19.98kW时,获得了5.97kW的放大激光功率,光-光转换效率约为24.0%,斜率效率为27.9%。测量了Yb:YAG陶瓷板条的透射波前,模拟了不同耦合效率和温度时的输出功率。实验结果表明,室温下Yb:YAG在高亮度抽运和高亮度种子光注入时可以实现高功率的激光输出。     

CW激光辐照薄板热力响应全场测量

实验研究了CW激光辐照铝合金薄板的热力响应过程,利用三维数字图像相关技术(3D-DIC)结合红外测温系统对整个过程的变形场和温度场实现了全场实时测量。分析了入射激光功率对变形场和温度场的影响,发现变形和温度均随入射激光功率线性增长。建立了三维有限元模型对实验过程进行模拟,模拟结果与实验结果吻合较好,验证了有限元模型的可靠性。3D-DIC结合红外测温系统可以很好地对激光破坏试验中的靶体变形场和温度场进行实时测量,是一种很有效的实验测量手段。     

高功率激光运转条件下大模场掺镱石英光纤模式特性的仿真研究

在高功率激光运转条件下,掺杂稀土离子的量子亏损和玻璃材料的本征吸收均会造成光纤放大器中增益光纤温度的整体上升与梯度分布。在热平衡状态下,光纤材料的热光效应将会诱导光纤横向折射率的再分布,引发高功率激光运转条件下增益光纤模式特性的改变。为此,利用多物理场有限元建模的数值计算方法对高功率激光运转条件下大模场掺镱石英光纤的热致模式特性展开系统研究,分析总结大模场增益光纤的模式特性在不同激光运转功率、增益光纤设计参数(纤芯直径、数值孔径、热光系数)和光纤弯曲使用条件下的变化规律。结果表明,随着激光运转功率的增加,纤芯和包层之间的温差会变大,从而导致光纤的归一化参数V值增大,最终使模式的传输损耗系数减小,模式在纤芯区域的功率因子增大。     

高功率激光的光学特性测试

由于激光核聚变研究工作的需要,促进了高功率钕玻璃激光器系统的发展。为了评价高功率钕玻璃激光器系统的光束质量,我们对某些激光的光学特性进行了测试,其中包括激光束近场的能量空间分布,激光束远场的特性和发散角,激光束波前的畸变和相干性,激光光谱等。文中的测试结果是在激光器件输出单脉冲功率水平为10~(10)W和10~(11)W的情况下进行的。     

掺杂相对ZrB2陶瓷涂层抗激光烧蚀性能的影响

耐高温陶瓷作为高熔点材料,具有优异的高温抗烧蚀性能,有可能满足未来抗激光防护的需求。为摸清ZrB₂陶瓷涂层抗激光防护性能,采用高功率固体激光器作为测试光源,搭建了激光烧蚀实验平台和激光耦合特性测量系统,重点对ZrB₂陶瓷涂层开展了激光烧蚀实验和涂层反射率测试。实验研究了不同激光参数条件下ZrB₂涂层抗激光烧蚀性能,以及掺杂相(SiC、MoSi2)的影响。结果表明,相比于未掺杂ZrB₂涂层,掺杂后ZrB₂涂层抗激光烧蚀能力明显下降。分析认为掺杂相可提高ZrB₂涂层抗氧化性能,但不利于发挥氧化生成物ZrO2的高反射和隔热作用,致使抗激光损伤阈值降低。激光损伤前后涂层反射率的测试结果,也证实了ZrO2的高反射率是增强ZrB₂涂层抗激光损伤阈值的关键。同时,利用有限元软件建立了连续激光烧蚀下ZrB₂陶瓷涂层温度计算模型,并以基底发生熔化为判据,仿真得到了陶瓷涂层典型的抗激光烧蚀阈值参数。     

“LPP-EUV”光源中的高功率CO_2激光监测与控制系统

为了满足激光诱导等离子体（LPP）体制下极紫外（EUV）光源对CO2激光器提出的稳定性需求,建立了简化的CO2激光传输系统模型,根据光束稳定性需求对光束功率、指向和位置的监测与控制方法进行了理论和实验研究。根据高功率CO2激光传输系统特点,在实验室内建立了上述光束监测和控制实验系统,包括光束功率控制模块、光束指向控制模块和光束参数监测模块,其中光束参数监测模块可实时测量光束功率、指向、尺寸及发散角等重要参数。仿真与实验结果表明：光束功率控制模块对线偏振激光功率的控制接近1%～100%,光束指向控制模块实现的光束指向稳定度在10μrad以内,可满足CO2激光驱动源的高稳定性要求。     

开口波导有效接收面积的测量

高功率微波功率测量的基本思想是将高功率降为低功率来进行测试，空间辐射场测量方法是基于该思想的功率测量方法之一。空间辐射场测量方法是通过测量接收天线接收的辐射场功率来测量微波源的功率，该方法需要已知接收天线在特定频率下的有效接收面积，以便计算出辐射源的功率。对于标准接收天线的有效面积，可以采用近似值来代替接收天线的有效面积，但是测量结果误差较大，因此，为了准确测量辐射源的功率，     

高功率光纤放大器中模式不稳定阈值功率的理论研究

模式不稳定指高功率光纤激光随着输出功率提升发生的模式突变,会导致光束质量下降。基于模式耦合模型,对量子噪声、强度噪声等引起的高功率光纤激光模式不稳定出现的阈值功率进行了详细分析和计算。研究结果表明,采用级联抽运方案和部分掺杂方式可以使模式不稳定性出现的阈值功率提高2~5倍。增加初始注入信号光功率、抑制注入信号激光的强度噪声和高阶模成分也可以提高阈值功率。研究结果为高功率光纤激光系统的设计提供一定参考。