两路固体激光相干合成的实验研究

相干合成技术是获得高功率、高亮度激光输出的有效途径之一。现提出了基于角锥棱镜的两路固体激光相干合成方案;在理论分析的基础上,开展了两路固体激光器相干合成的实验研究;得到了不同占空比和出射光束直径条件下的远场光强分布。远场光强分布和条纹可见度主要受到占空比和出射光束直径的影响。随着激光光束间距的减小,相干合成后的光斑数量减少,光斑的宽度增大,相干度明显提高;出射光束直径增大时,高阶模增多,光束质量变差但合成功率增大。     

半导体激光阵列合束技术的研究

综述了几种典型的半导体激光阵列合束方法,介绍了近年来半导体激光光束合成的最新进展,分析了各种合成方法的技术特点,总结了半导体激光阵列合束技术的发展趋势.研究发现光谱合束技术的输出光束光强分布不随阵列单元数而变化,且在远场和近场均能保持较好的叠加,大大提高了远场光束的亮度,有望成为未来半导体激光光束合成的重要发展方向.     

高斯光束横向光强分布的检测研究

由于激光技术的广泛应用和不断发展,对高斯光束的研究及测量成为一个重要内容。高斯光束横向光强分布的特性直接关系到激光的应用,因此从高斯光束横向光强分布特性的研究出发,采用小孔扫描法和CCD数据采集法测量高斯光束横向光强分布,然后把实验测量的光强分布数据通过图像处理程序绘制成光强分布曲线并与理论的高斯分布曲线进行拟合对比。结果显示实验测得的高斯光束的横向光强分布与理论高斯分布吻合,证实了高斯光束的横向光强分布遵守高斯函数。     

保偏光纤模场直径和数值孔径测试研究

基于光纤测量远场法原理测量光纤远场光强分布。通过改进远场法得到光纤的远场光强分布后,同时计算得到保偏光子晶体光纤的模场直径和数值孔径,使测量装置实现集成化和简便化。通过光束测试仪测量光纤的出射光强分布,光束测试仪测量的是光纤中心最大光强点的两个垂直方向上的光强分布。保偏光子晶体光纤的出射光斑是椭圆的,每个方向的模场直径、数值孔径分布并不相同。传统的测试方法不能解决这个问题。通过旋转光纤测量光纤各个方向上的光强分布,然后计算各个方向上的模场直径,最后通过拟合各个方向上的模场直径得到保偏光子晶体光纤椭圆形的模场分布。实验测得保偏光子晶体光纤椭圆光斑长短轴的模场直径分别为7.5μm和4.2μm,数值孔径分别为0.159和0.276。     

TEACO2非稳腔激光器远场光束质量的评价

研究了对虚共焦非稳腔结构的脉冲TEA CO2激光器远场光束质量进行评价的方法.首先将稳腔TEA CO2激光器加工改造成非稳腔结构;然后从实际设计加工的数据出发,用3种常用形式对其远场光束质量进行理论评价与分析,并与设计的2 kW非稳腔激光器的实测远场光强分布实验结果进行了对比.理论和实验结果表明,非稳腔能够获得接近衍射...     

实现均匀焦斑的大孔径连续相位衍射光学元件

许多大功率激光系统，需要顶平，边陡，旁瓣小和光效率高的均匀焦斑。用衍射光学元件(DOE)实现这样的均匀照明有许多优点，例如纯相位调制光效率高，相位设计灵活性大等等。相位设计，采用一种以登山和模拟算法为基础的混合算法，因为登山算法收敛大，模拟算法全局优化有潜能。用旋转空心掩模和离子蚀刻，在K9玻璃基片上加工了直径100mm的连续相位DOE。DOE干涉图样呈现相位分布平滑。焦斑的强度分布用一般CCD测量，并用一系列消光器增大测量动态范围。数据处理后的结果表明，焦斑均匀，其主瓣有一定的均匀度，边陡，旁瓣小，零级无锐峰。     

基于荧光成像的准分子激光系统多路光束自动准直

研究了基于准直光束成像的准分子激光主振荡功率放大(MOPA)系统的多路光束自动准直,实现了激光在放大器中的多程放大及高的靶面指向精度。采用352nm He-Cd激光作为准直光源,提出了多光束感光屏同步接收与可见光CCD荧光成像相结合的复合图像采集技术,解决了自动准直系统多路激光的近场、远场图像获取问题。利用图像区域分割处理方法编制了准直信息处理软件,实现了对多光束的自动准直闭环反馈控制。最后,结合准分子激光MOPA系统中的预放大器光学设计进行了自动准直验证实验。结果表明:准直成像光强可调谐倍数为300,成像系统在放大器窗口处固有误差占放大器口径比例小于设计值1.08%,3路激光的自动准直时间为40s,完全满足放大器的几何填充和能量提取要求。     

不扩束激光粉尘粒度分布测试系统的设计与研究

主要研究不扩束激光粉尘粒度分布测试系统,对光衍射式激光粒度测试系统的光学装置进行改进,将激光的扩束系统去除,改为不扩束激光衍射系统,减小了测试系统的体积,光学结构变得简单,调节更加方便,光敏区也大大减小,降低了样品的损耗。并且通过改进的采用CCD的不扩束激光粉尘颗粒粒度测试系统对粉体进行测试,获得衍射光强图像,并利用计算机对衍射图像的光强分布作了分析。     

工件表面粗糙度的在线测量技术

提出一种基于激光散射法的在线测量方法,以条形激光光束作为光源照射被测物表面,然后用配有高倍率镜头的工业相机采集散射光的图像,最后通过计算机数据处理得到表面粗糙度值.实验证明,该测量方法具有测量速度快、仪器结构简单、非接触且能直观显示被测工件的表面形貌等优点.     

圆环衍射效应下涡旋光束的光强变化

为了分析拓扑电荷数以及相干性对部分相干涡旋光束的影响,利用部分相干光的统一理论和惠更斯-菲涅耳衍射原理,推导出随机电磁涡旋光束在自由空间中传播时,尤其是部分相干涡旋光束经圆环衍射后光强的计算公式,研究了部分相干涡旋光束通过圆环后的夫琅和费衍射特性。通过理论分析与数值计算表明,部分相干涡旋光束经圆环衍射后的光强分布情况与入射光的相干度、入射光束的拓扑电荷数、衍射孔径的大小等因素有关。当入射光束的拓扑电荷数越大,相干长度越长,衍射孔径越小时,衍射光束的光强分布会更加清晰,衍射效果也更加明显。     

基于单压电变形镜的可控环形焦斑整形

为了实现可控环形焦斑的整形,提出了一套基于单压电变形镜的整形方法。首先结合波前衍射理论和随机并行梯度下降算法模拟迭代出环形焦斑整形所需的调制相位,进而利用波前传感器探测光束的波前信息,控制变形镜重构目标光斑对应的调制相位,实现聚焦光斑的整形。搭建了一套基于62单元单压电变形镜的光斑整形实验平台,采用焦平面上的CCD记录远场聚焦光斑。实验结果表明,该方法实现了对不同直径(0.32,0.4,0.6 mm)和宽度(0.05,0.08,0.1mm)环形焦斑的整形,可有效应用于激光束整形。     

Study of the focused laser spots generated by various polarized laser beam conditions

In this work, three‐dimensional near‐field imaging of the focused laser spot was studied theoretically and experimentally. In the theoretical simulation, we use the electromagnetic equivalent of the vectorial Kirchhoff diffraction integral to calculate the intensity distribution of the focal region, and a high depolarization is found in high numerical aperture systems (NA = 0.85). The experimental set‐up is based on a near‐field scanning optical microscope (NSOM) system. A high‐NA objective lens is used to focus incident light of various polarizations, and a tapered near‐field optical fibre probe of the NSOM system is used to determine the intensity of the focal field. The results show an asymmetric distribution of the focused intensity with the linear polarized laser beam.     

基于单次全反射椭球单玻璃管X射线聚焦镜表征光源参数

为了正确表征X射线光源参数,本文利用单次全反射椭球单玻璃管X射线聚焦镜,设计了一种测量X射线光源焦斑尺寸和焦深的方法。该方法利用椭球单玻璃管X射线聚焦镜具有单次全反射成像能力的特点,对多个已知焦斑尺寸的多毛细管X光透镜模拟光源的焦斑成像尺寸和椭球聚焦镜的面形误差进行表征,从而确定光源焦斑尺寸和经过椭球聚焦镜后的焦斑成像尺寸以及椭球聚焦镜的面型误差之间的通用数学关系。然后,通过分析待测光源焦斑经过椭球聚焦镜所成像的尺寸来得到被测量光源的焦斑尺寸。利用该法也同样可以得到光源焦深的大小。为了验证设计方法的可行性,测量了实验室微焦斑X射线光源的焦斑和焦深参数。测试显示:对于焦斑直径约为50μm、焦深约为20mm的光源,文中方法得到的算术平均值标准偏差分别为1.5μm和0.7mm。结果表明:本文设计的光源参数表征方法可以实现对微焦斑源焦斑尺寸和焦深的同时测量,在X射线源的研制和应用领域具有潜在应用。     

测量高斯光束腰斑尺寸的实验与分析

激光光斑尺寸和激光束腰光斑尺寸是衡量激光器性能的重要参数。设计了利用刀口法和狭缝法分别测量高斯光束腰斑尺寸大小的测量实验装置,并阐述了具体的测量过程,给出了所测得的实验结果,最后对这两种方法进行了比较分析。这两种方法实验装置简单实用。     

一种离子流束斑形状的快速检测方法

针对当前质谱仪研制及调试过程中离子束斑形状检测方法繁琐、效率低等问题,提出一种快速、实时的检测方法。该方法在传统刀边法的基础上,采用多角度切割线包围成图原理,即分别在0°、45°、90°、135°方向移动锋利刀边“切割”离子束,得出离子流强度变化曲线,最终还原离子束斑形状及束流核心区域。通过自行搭建的测试平台,将该方法得到的束斑形状与离子轰击痕迹法的结果进行对比,结果表明,采用本方法检测得到的离子束斑形状及核心区域与离子轰击痕迹法基本一致,但较后者操作简单、省时高效,可实现实时检测。     

大尺寸衍射光学元件的扫描离子束刻蚀

总结了大尺寸衍射光学元件离子束刻蚀技术的研究进展。针对自行研制的KZ-400离子束刻蚀装置,提出了组合石墨束阑结构和多位置分步刻蚀策略来提高离子束刻蚀深度的均匀性,目前在450mm尺寸内的刻蚀深度均匀性最高可达±1%。建立了针对多层介质膜光栅的衍射强度一维空间分布在线检测系统以及用于透射衍射光学元件离子束刻蚀深度的等厚干涉在线检测系统,实现了对大尺寸衍射光学元件离子束刻蚀终点的定量、科学控制,提高了元件离子束刻蚀工艺的成功率。利用上述技术,成功研制出一系列尺寸的多层介质膜光栅、光束采样光栅、色分离光栅以及同步辐射光栅等多种衍射光学元件。     

High-precision detection of focal position on a curved surface for laser processing

A new technique for detecting the focal position of a curved surface provides several advantages both in research and industrial applications. The quality of patterns lasered on a roll surface is determined by the precision of the focus detection, and surfaces of the massive rolls used in laser fabrication can be difficult to adjust properly using conventional technologies. Here, a unique method for detecting the focal position of a curved surface based on the reflected profile of a laser beam is presented. The versatility of the proposed technique results from being able to adjust the laser beam based on changes in the shape and diameter of the beam spot when the specimen surface deviates from the focal plane. A theoretical model based on three-axis movement is proposed, and experimental setups are developed based on the model. Analysis of the obtained results enables high precision positioning of the specimen and identification of the focal point. Furthermore, the presented technique can be used to locate the focal point on any curved surface. Therefore, the theoretical model, analysis results, and focal detection method can be combined in an algorithm for a novel auto-focusing system that can be applied to laser processing of curved surfaces, such as fabricating microgrooves, or engraving roll surfaces in printed electronics.     

Application of a diffraction grating and position sensitive detectors to the measurement of error motion and angular indexing of an indexing table

In this paper, two systems for the measurement of the error motion and angular indexing of a rotary indexing table have been developed. A laser diode, a laser holder and a position sensitive detector (PSD) are integrated as a simple measuring device for the measurement of the rotary error without using a precision reference artifact (a cylinder or a sphere), multiple probes or error separation methods. The laser diode is assembled in the laser holder and fixed on the rotary table. The PSD is set up above the laser holder to detect the position of an incident laser beam from the laser diode. When the rotary table rotates, the rotary error changes the direction of the incident beam and also the position of the spot on the PSD. For the measurement of the angular indexing, a reflective diffraction grating and two PSDs are integrated as a high-resolution angle measuring device without using an autocollimator or a laser interferometer system. The diffraction grating is set at the center of the rotary table and reflects an incident laser beam into several diffractive rays. Two PSDs were set up for detecting the positions of ±1st-order diffraction rays. A simple algebraic method is used to solve the angular indexing through an optical analysis. The experimental results showed the feasibility of the proposed test devices.     

激光修整圆柱形CBN砂轮中偏焦量对能量分布的影响

激光束偏焦量是修整圆柱形砂轮的重要参数，它影响光斑形状及其能量密度，因而影响激光修整砂轮的质量。介绍了用数控Nd：YAG激光系统修整圆柱形CBN砂轮过程中，偏焦量对光斑作用能量分布的影响与其修整作用的基本原理，建立了激光偏焦量作用于圆柱形砂轮上任意一点的光斑面积数学模型；给出了调整激光偏焦量修整圆柱形砂轮的关系与参数范围；采用计算与试验结合的方法，得到激光偏焦量、输入能量密度及激光修整参数的对应关系。研究结果为进一步提高激光修整圆柱形陶瓷结合剂CBN砂轮的质量提供了理论与试验依据。     

基于像差修正的同轴度测量方法

为了实现在同轴度测量中平行偏差(平偏)和倾斜偏差(角偏)两个量的同时测量,建立了基于激光准直性的光斑接收系统。该系统由接收物镜、分光棱镜和CCD构成。以物镜光轴、准直光束几何中心线和两个CCD接收面构成的三角关系进行两个偏差量的计算;并通过对系统像差的分析,提出了显著降低物镜像差对测量结果影响的算法。理论和实验数据表明,对于平偏测量范围为±10 mm、角偏测量范围为±2°、接收物镜焦距为50 mm、CCD尺寸为1.6 cm的系统,平偏测量精度可达0.02 mm,角偏测量精度可达9.5″。因此,该系统可以满足较大范围内的旋转机械同轴度测量的需要。