变形镜对千赫兹掺钛蓝宝石飞秒激光频谱相位补偿

尝试用光谱展宽的方法从频谱相位(而非时域相位)的角度利用变形反射镜来补偿1kHz飞秒激光系统输出光路的频谱相位畸变,从而提高飞秒激光脉冲的时域强度衬比度,改善其光束质量。频谱相位补偿实验是在一台1kHz掺钛蓝宝石飞秒激光系统输出光路中,针对超短脉冲光束通过传输介质后的频谱相位畸变,引入变形反射镜进行补偿。应用频谱相位干涉直接电场重构(SPIDER)方法和仪器作为测量手段,建立了一套相位测量补偿系统。实验结果表明用变形反射镜可使激光脉冲的相位畸变得到较好的补偿,脉冲的光束质量得到改善。这种方法的主要思想就是将相位补偿转换为空问的光程控制,控制简单且损耗很低,是自适应光学中具有应用前景的一种补偿方法。     

测距光束光斑漂移的数值仿真

针对远距离激光测距,如地球同步卫星测距、激光测月,利用基于傅里叶变换的分步传播方法对测距光束在湍流大气中的上行传播进行数值仿真.根据大气结构常数廓线,采用等Rytov指数间隔法分布相位屏,与理论值比对的结果表明相位屏的分布合理.在此基础上,对光束的光斑漂移进行分析,得到光斑漂移量与准直测距光束束腰的定量关系,为测距激光...     

“之字形”光路薄管固体激光大气长程传输光束质量分析

“之字形”光路薄管固体激光是一种结构紧凑、增益高且利于发射的新型激光光源。针对薄管固体激光光源及其大气长程传输过程中的光束质量退化问题,提出了基于直角锥面变形镜的薄管激光校正方法,进而通过建立薄管激光校正模型以及大气长程传输模型,开展了薄管激光大气长程传输光束质量分析。首先,针对大遮拦比窄环宽环形光束与发射系统的匹配问题,提供了一种薄管激光环形光束整形变换方案,有效实现了薄管激光的整形和变换。然后,分析了薄管激光光源光束质量、大气湍流效应和热晕效应等对整形变换后的薄管激光大气长程传输特性的影响,进而明确了薄管激光大气长程传输光束质量退化机理。最后,分析了直角锥面变形镜对薄管激光的光源畸变、大气湍流的低频分量和热晕导致的离焦相位等的校正效果。结果表明,经过直角锥面变形镜的校正,薄管激光光源光束质量明显改善,大气长程传输后的远场光束质量有所提高。若进一步配合常规变形镜进行联合校正,薄管激光大气长程传输后的远场光束质量可得到显著提升。     

沿Z型光传输管道轴向吹气对激光传输的影响

针对在Z型管道中传输的高能量密度激光束受到的气体热效应问题,采用光波标量衍射方程计算光传输、N-S方程计算管道内流场,仿真计算了以不同的速度沿管道轴向吹入对激光能量无吸收的气体时,由于气流扰动对出射光束远场光斑质量的影响。结果表明,在采用纵向吹气减小气体热效应对光束传输的影响时,应尽可能采用大气量、低流速的方案,既有利于排空管道中的杂质气体,减小气体热效应,又有利于减小管道中流场密度分布的不均匀性,从而保证出射光束的质量。     

便携式土壤重金属探测仪光学结构设计

当前土壤中的重金属污染日益严重,研究开发便携式土壤重金属快速、现场检测技术设备能为土壤重金属污染状况普查提供快速、有效的技术手段。系统中发射光路采用透镜对激光光束会聚并作用到样品;收集光路采用抛物面镜组对等离子体光信号收集并耦合至光纤。分析了激光光束经透镜汇聚后作用到样品时的功率密度,给出了等离子体光信号耦合至光纤端面的光斑大小,并得到整个光学系统的大小尺寸。结果表明,整个光学系统结构紧凑、体积小、光信号耦合效率高,非常适用于便携式土壤重金属快速、现场的探测系统应用。     

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。     

基于光斑形状光束快速自动准直算法

为满足高功率激光装置光路自动准直系统的高精度要求,提出一种光束非垂直过孔状态下椭圆光斑的光斑差值快速调节法,并引入局部自适应阈值二值化算法提高准直图像的定位精度.当椭圆光斑长短轴差值较大时,利用基于最小二乘法的椭圆拟合改进算法,求出椭圆光斑长短轴的轴长,通过远场反射镜调节长短轴轴长差值以调节光斑形状,直到获得规则的圆形光斑.分析了圆光斑中心与基准位置的偏差值,将差值转为闭环控制的步进电机调整步数,实现了高功率激光装置光束的快速自准直.该算法应用在某高功率激光装置光路自动准直系统中,结果表明,远场指向精度优于0.033″,优于目前高功率激光准直系统准直效果,提高了激光光束的指向性精度.     

高功率激光光束的自准直算法

为满足高功率激光装置全程光路自动准直快速性及高精度的要求,提出了一种光斑对应椭圆的长短轴差值法对光斑形状调节,并结合重心法快速、高精度的获取光斑图像中心位置.利用大律法、3×3邻域法及8向链码法对光斑图像进行处理,得到面积最大的光斑;分析最大光斑区域中心距,求出最大光斑对应椭圆的长短轴长,并根据长短轴差值调节光斑形状,至长短轴差值近似为零,获得形状最规则的光斑;分析形状最规则光斑的中心位置与其基准位置在x和y方向的偏差,并将该差值转为闭环控制的步进电机所需要调整的步数,实现激光光束的自准直.该算法应用在高功率激光装置中,结果表明,主放大光路的准直时间缩短为15min,近场准直的准确度优于0.2%,远场指向准确度优于1μrad,满足高功率激光光束的准直要求.     

Z-扫描技术的灵敏度分析

单光束激光Z-扫描技术是利用光束的横向特性来研究材料的光学非线性的,其灵敏度的提高有助于测量微弱折射率变化。从入射光束、调制方式、光束检测等方面论述了Z-扫描技术的灵敏度。顶环光束入射相对于标准Z-扫描技术的高斯光束入射其灵敏度可提高2.5倍,但要求光源的输出能量达到一定值,仅适用于测定较小的非线性相移;在光路中插入调制元件后放大因子可达到780,但调节光路难以调节焦移效应。利用CCD作为探测器的TPDZ-扫描技术能够测量小于λ/15000的非线性相位畸变,CCD能够充分获得光束的横向信息,有望成为另一种测量光学非线性的常用方法。     

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。     

随机高斯型相位板的束匀滑特性

 针对激光系统对光束匀滑的需求,设计了高斯型连续相位板,并对其远场特性进行了研究。分别计算了相干长度为39,30,10和3 mm的高斯相位板远场光斑分布,结果显示相位板自身相关长度是决定远场能量分布的重要因素,当相干长度大于10 mm时,由于不满足各态历经条件,远场光斑分布能量分散。当相干长度小于10 mm后,由于满足各态历经条件,远场光斑能量将接近理想的高斯分布特性。通过数值计算模拟了相干长度为3 mm的连续相位板对畸变光束进行匀滑处理的过程,演示了束匀滑处理结果。通过比较匀滑前后远场光斑的能量分布,显示了畸变光束通过连续相位板后远场光斑能量分布变化情况,通过相位板后,光斑形状明显接近理想高斯分布情况。     

随机并行梯度下降光束净化实验研究

利用自适应光学技术进行光束净化是高能激光系统中一项重要的研究内容.为实现光束净化系统的小型化和低成本,基于系统性能评价函数无模型最优化的波前畸变校正方法是适合的技术方案.就随机并行梯度下降(SPGD)最优化算法在光束净化系统中的应用展开研究.针对高能激光束常见的像差分布进行了SPGD波前校正的数值模拟,在此基础上构建了37单元自适应光学光束净化实验平台,讨论了双边扰动梯度估计和迭代增益系数自适应变化对算法收敛特性的影响.数值模拟与实验结果验证了SPGD算法对不同程度波前畸变的校正能力,表明了SPGD光束净化方案的可行性.     

高功率激光系统共轴鬼光束光斑大小及光强的计算

高功率激光系统中鬼光束对元件安全造成威胁 ,并导致主光束质量变坏 ,故鬼光束会聚点的位置和鬼光束会聚光斑光强的定量分析 ,对高功率激光系统安全运行非常重要。根据高斯光束在共轴有限孔径光学系统中的传输变换规律 ,得到了平行光束和同心光束在共轴光学系统中的光斑传输变换公式 ,进而计算了高功率激光系统典型结构单元鬼光束会聚点的位置和鬼光束会聚光斑的光强。结果表明 ,共轴光学系统中鬼点分布都在光轴上 ,单元件构成的系统在未考虑增益介质放大时 ,鬼光束会聚光斑的光强随鬼点阶次的升高下降较快 ,而多元件构成的系统则规律性不明显。     

图像处理在光路自动准直系统中的应用

光路自动准直系统应用于惯性约束聚变的高功率激光装置中的光束自动调整。图像处理是光路自动准直的关键技术之一。针对神光Ⅲ原型装置,结合阈值化、重心法、中值滤波和圆拟合等多种不同的图像处理方法设计了一套合理的准直方案,并且在模拟实验平台上进行了实验验证。实验结果表明,光路自动准直系统能够在15min之内顺利完成光路的自动调整,光束近场调整精度优于近场光斑的±0.5%,光束远场调整精度≤±0.3″,满足了原型装置的总体要求。     

高能激光环形光束近场和远场传输特性

为满足高能激光环形光束在近场区和远场区的实际应用需求,从电磁波衍射积分方程出发,推导了环形光束光场分布和远场光强分布表达式,并对光场分布和光强分布进行了分析,得到光强分布与高斯光束的有限孔径大小、中心遮拦比和传输距离的关系.引入大气湍流场景,采用相位屏法对环形光束在不同湍流强度下的大气传输进行了数值模拟和分析,研究了受大气湍流影响远场光斑畸变、光斑破碎、光束扩展和漂移等的增强现象.最后开展了环形光束近场区大气传输数值模拟和实验,结果表明:随着传输距离的增加,光斑中心光强越来越强,光斑逐渐趋于均匀,平均光强呈类高斯分布,近场区环形光束扩散和光斑畸变现象受大气湍流影响而增强.     

光路交叠对强光传输的影响

实验中观察到高能激光束通过光程总长、气体环境等条件相同,但局部布置不同的光路后,其接收光斑峰值功率密度、波前离焦和高阶像差等光束参量有差异.对此问题,选择Z型和X型两种总长度相等的光路在相同气体环境下进行了数值研究.结果表明,产生上述差异的主要原因是由于两种光路中光束交叠区域大小和形状不同引起的气体热效应产生的附加相位有所不同.而且对不同特性的光束,该差异也不同.对高斯光束,两种光路中气体热效应对光束影响的差异较小;对平顶高斯空心光束,两种光路中气体热效应对光束影响的差异较明显.因此,为抑制气体热效应对光束的影响,在考虑其它因素的同时,应尽可能减小光路中的光束交叠区域.     

基于LD激发荧光粉白光光源的窄光束照明光学系统设计

蓝光半导体激光器激发荧光粉产生白光光源技术发展迅速,但由于大功率蓝光半导体激光器在快轴、慢轴方向的光场分布差别较大,使得日前激光照明整体光学性能仍旧较差,难以实现大规模推广应用。针对该问题,设计了一款高质量激光照明光学系统,基于蒙特卡洛光线追踪理论,对激光光束进行准直调控、均匀光斑整形以及对荧光片进行设计,使得整体光源模块各元件得到最佳整合,最终实现了窄光束激光照明。仿真结果表明:激光光源的光收集率达98.3%,激光光斑的不均匀度为1.7%,白光均匀度为98%,光斑是出射准直角为1.6°的方形窄光束白光光斑。     

随机并行梯度下降算法用于光纤激光相干合成的理论与实验研究

介绍了随机并行梯度下降(SPGD)算法用于相干合成的基本理论,利用数值模拟的方法对实际相干合成实验中涉及到的算法评价函数、扰动电压分布等参数进行优化选取,确定了实验中应选择的最佳评价函数、扰动电压分布和扰动方式.利用数字信号处理器(DSP)执行SPGD算法,实时控制各路光束的相位,实现了三路瓦量级保偏光纤放大器输出光束的相干合成.实验结果表明,SPGD算法能够有效控制各路光纤激光的相位,系统闭环将合成光束目标圆孔内的能量提高了2.62倍,合成效率达到了理想情形的87%,远场光斑对比度为85%.     

离轴八程放大器自动准直技术研究

展示了基于离轴八程激光放大器的闭环自动准直技术研究,该项技术旨在用自动准直系统取代手动光路准直的方式,明显提高了该构型复杂的多程激光放大器的运行效率、准直精度与其输出光束质量。该技术利用主激光照明和像传递系统实现离轴八程激光放大器中滤波器小孔空间位置的精确标定,通过边缘检测处理远场光斑得到其指向中心。基于光斑中心与基准间的差值,对特定反射镜架进行二维控制进行光束指向补正,从而实现离轴八程放大器系统的闭环自动准直。研究结果表明,实验结果契合离轴八程放大器系统对光束准直准确率与效率的要求,验证了该准直技术在离轴八程激光放大光路中应用的可行性。     

惯性约束核聚变多路打靶激光光束引导方法的研究

提出了一种用于惯性约束核聚变(ICF)的多路激光光束引导的新型传感器。通过内置面阵CCD来监测激光光点位置,并利用共轭光路法引导光束到预定位置。在引导过程中光束不直接打到靶上,避免了靶的不同形状对光束引导的影响。提出了激光光束的引导方法和流程。设计了零位角测量光路,并用于测量激光光束的入射角。