基于高阶抑制达曼光栅的微透镜阵列焦距的快速测量

提出了一种用高阶抑制二维达曼光栅作为分光元件替代普通衍射光栅实现微透镜阵列焦距快速测量的方法。高阶抑制二维达曼光栅具有优良的分光效果,且高阶衍射级次能够得到有效抑制,通过信噪比的提高降低焦距测量误差。设计并制备了一分五的高阶抑制二维达曼光栅,分束后的光束经过微透镜,在其焦面附近形成高对比聚焦光斑阵列。相比常规一维光栅,所提方法通过测量每个微透镜焦面内光斑两两之间的距离,得到多个焦距值,从而有效减少测量的随机误差。实验结果表明,该方案对微透镜阵列焦距的单次测量误差小于3.5%,重复测量误差在4.5%之内。该方案对微透镜阵列的焦距分布快速评估具有实用价值。     

稳腔固体激光器运转时热透镜焦距的测量

给出一测量激光二极管 (LD)端面抽运固体激光器稳态运转时腔内激活介质热透镜焦距的简便方法。采用混合模类高斯光束描述激光器输出镜后的光场分布 ,通过一狭缝在不同位置横向扫描光场来测得光束的光斑尺寸和描述光束的质量因子M2 ,根据混合模类高斯光束传播规律推导出光束的束腰及在相同激光器参数下对应的基模高斯光束束腰的大小 ,由此利用稳定谐振腔标准传输矩阵理论可得到相应的激光介质的热透镜焦距。基于上述测量原理 ,对LD端面抽运Nd∶YVO4 固体激光器热透镜焦距进行了测量 ,实验结果和理论分析相符。     

CCD测量LD端面抽运Nd∶GdVO_4固体激光器热焦距

为研究Nd∶GdVO4晶体在激光二极管(LD)端面抽运固体激光器中的热效应,给出了一种测量激光器稳态运转时腔内激活介质热透镜焦距的简便方法。采用CCD光束分析仪直接测量输出光束的M2因子及束腰大小,根据混合模类高斯光束传输理论推导出相应的基模高斯光束束腰大小,由此利用稳定谐振腔的传输矩阵理论可得到相应的激光介质的热焦距。实验结果表明,抽运功率越高,热焦距越小,热效应对输出光束质量影响越严重。基于上述原理,对LD端面抽运的Nd∶GdVO4固体激光器热透镜焦距进行了测量,实验结果和理论分析相符。     

利用光束质量分析仪测量M~2因子

激光光束质量是激光器的一个重要技术指标,激光光束质量因子是反映激光光束质量的重要参数。介绍了一种利用光束质量分析仪来精确测量激光光束质量因子的方法,通过透镜将激光束进行聚焦变换,在透镜后方得到腰斑远场变化,利用光束质量分析仪,沿光轴等间隔测量不同位置的束宽,然后采用双曲线拟合来确定激光光束束腰的大小和位置,从而计算出被测激光光束的质量因子。实验数据采用三点法处理,进行二项式拟合,得出了拟合双曲线的参数,通过计算得到了所测激光的质量因子。用透镜焦点处的实测束宽对拟合值进行验证,结果近似,说明测量的结果是可靠的。利用光束质量分析仪的专业性和高精度,能准确测量出计算光束质量因子所需的参数,比常用的CCD测量方法更精确和便捷,能够很好地得出实验所用激光器的质量。     

一种基于衍射光栅光束质量M2因子的实时检测技术

提出了一种新的光束质量M2因子实时检测技术,利用一个普通正交衍射光栅组将一束待测激光束分成3×3共9路光,并利用光路调整器使9路光束通过不同的光程后有序地排列在CCD相机的探测面上,并使得各路光的光程差分布在束腰附近两倍瑞利距离内,从而可利用单一CCD探测面来同时获取待测光束多个位置上的光斑图样,再利用二阶矩理论求出各个位置上的光束束宽,通过曲线拟合进而实现光束质量的实时检测。结果表明,对于连续He-Ne激光器的输出光束,采用实时检测技术得到的测量结果与用传统方法得到的结果基本一致。     

非圆对称光束M2因子矩阵的实验研究

M2因子的计算和测量与所采用的坐标系有关,所以对光斑为非圆对称的光束进行M2因子测量时,若选取的实验室坐标系不同或者是在非完全相同的实验条件下进行的测量,测量所得的M2因子并不唯一,这给实际应用中光束质量的评价带来了不便.为更方便地进行光束质量的评价,使得不同的实验室坐标系下测量所得M2因子统一,引入了两个交叉项来表征待测光束光斑主轴与实验室坐标系的位置关系,定义了M2因子矩阵.同时研究了M2因子矩阵的测量原理和方法,搭建了M2因子矩阵测试系统,实验研究了非圆对称光束的束宽以及M2因子随坐标系旋转的变化规律,测出了M2因子矩阵.     

LD泵浦固体激光器热透镜效应及优化设计的分析

LD泵浦固体激光器出现使激光器得到飞速发展,但是其在大功率运行时所表现出的强烈的热透镜效应,严重影响了激光器的稳定性和输出光的模式、光束质量.介绍了几种热透镜焦距fT和光束质量M2因子的估算公式,分析了热透镜改善的几种腔型设计.     

一种测量端面抽运Nd-GdVO4晶体热透镜焦距的方法

在半导体激光端面抽运工作条件下,激光晶体会产生剧烈的热透镜效应.利用532nm激光作为探测光,观测探测光束通过晶体后的远场图像可以很好地评估热透镜效应程度大小.利用现有的热透镜理论结果建立了光束干涉模型,对远场光环现象进行了解释,并且分析得到了基于远场光环的热焦距计算公式.使用谐振腔稳定性法测量了热透镜焦距,并将测量结果与基于远场光环的热焦距计算结果作对比,验证了光线干涉模型的合理性及计算热焦距公式的准确性.     

CCD测量LD端面抽运Nd:GdVO4固体激光器热焦距

为研究Nd：GdVO4晶体在激光二极管（LD）端面抽运固体激光器中的热效应,给出了一种测量激光器稳态运转时腔内激活介质热透镜焦距的简便方法。采用CCD光束分析仪直接测量输出光束的膨因子及束腰大小,根据混合模类高斯光束传输理论推导出相应的基模高斯光束束腰大小,由此利用稳定谐振腔的传输矩阵理论可得到相应的激光介质的热焦距。实验结果表明,抽运功率越高,热焦距越小,热效应对输出光束质量影响越严重。基于上述原理,对LD端面抽运的Nd：GdVO4固体激光器热透镜焦距进行了测量,实验结果和理论分析相符。     

体布拉格光栅色散对衍射光束质量的影响

基于衍射理论,建立了光束经过体布拉格光栅衍射的光束质量分析模型。在考虑入射光束参数和体布拉格光栅参数的情况下,分析任意光束经过体布拉格光栅衍射的光场分布,计算得到二阶矩意义下的束腰和光束质量M2因子,并分析了体布拉格光栅空间周期、入射光束尺寸、光谱线宽和初始入射光束质量M2对衍射光束质量的影响。研究结果表明,衍射光束质量受体布拉格光栅和入射子束共同影响:体布拉格光栅周期越小,其空间色散越严重;入射子束尺寸越大、光谱线宽越宽、初始光束质量越差,衍射后的输出光束质量劣化越明显。该模型给出了衍射后的光束质量表示,可方便快捷地得到不同输入光束衍射后的光束质量。在最高入射功率达千瓦量级时,实验测量了初始M2和光谱线宽两部分贡献对衍射光束质量的结果,并与相应理论分析进行了比较。     

Estimation of wave fields of incident beams in a transmission electron microscope by using a small selected-area aperture

The direction of an electron beam in a nanometer-sized area is measured directly by utilizing a selected-area aperture. By the measurements at several areas in a beam, the wavefront curvature and thus the defocus value of the beam are detected. From the defocus value, the wave field at the specimen plane is also reproduced in consideration of the influences of the condenser aperture and spherical aberration of the illumination lens. The result shows that phase deviation of 2π is caused only at about 10?nm apart from the beam center in a beam with a typical diameter for high-resolution transmission electron microscopy. Based on the defocus value, the convergence angle of the beam is also estimated to be about 6?mrad without being influenced by the partial coherence, that is, independently of the type of the electron gun. Measuring the defocus values for only two beam diameters enables us to determine geometrical parameters peculiar to the illumination system, based on which wave fields of any beam diameters by any condenser aperture sizes can be estimated. The technique proposed in this paper is effective in evaluating the influence of wavefront curvature of incident beams on various kinds of precise measurements conducted in transmission electron microscopes.     

激光发射天线仿真平台设计

为了给激光发射天线的设计优化提供一种可视化自动设计手段，采用MATLAB仿真技术构建了一种基于倒置望远镜系统结构的激光发射天线仿真平台, 进行了激光发射天线的理论分析和仿真实验验证。通过灵活设置激光谐振腔关键结构参量以及倒置望远镜系统透镜组合方式，实现了发射天线发射前后的激光2维光强分布、激光3维光强分布、激光光束3维结构以及变换后激光束腰与透镜组合离焦量的关系曲线的仿真。结果表明，波长550nm的激光变换后束腰半径从0.073mm变为12.202mm，发散角从0.275°变为0.00164°，成功压缩了激光发散角; 此平台进行的仿真过程形象直观，可根据需要自动优化设计出最优的激光发射天线结构。该仿真平台的构建为激光发射天线的可视化自动设计提供了全新的方法。     

非高斯光束脉冲热透镜技术

将非高斯加热光束引入到模式不匹配的脉冲热透镜技术中,描述了非高斯加热光束热透镜技术的优点。实验研究了不同加热光束形状时热透镜信号的振幅和时间特性以及与实验参数的关系。实验结果显示在不同加热光束形状时都可通过使用近场探测构型和优化实验参数如探测距离提高热透镜技术的测量灵敏度,而通过使用远场探测构型则可消除实验参数对材料热性质测量的影响。     

三维激光雷达发射/接收共光路光学系统设计

针对空间三维坐标的测量需求,设计了3D激光雷达光学系统。系统采用发射/接收共光路的结构形式,以高斯光学为理论基础,采用Zemax光学设计软件进行仿真。该结构形式不仅提高了系统同轴度、减小外部干扰,而且简化了系统结构、缩小仪器体积。系统采用扩束准直结构,实现8倍扩束比。通过微小的调焦,调整发射光学系统的第一片和第二片透镜之间距离在28.203~14.671 mm之间变化时,实现了2~18 m的测量范围内,测距精度0.02 mm+10m/m。     

大功率扩散冷却型Slab CO2激光器光束质量的研究

本文对国际上最新的大功率扩散冷却型Slab CO2激光器的光束质量进行了全面的测量与实验研究.从原始激光束的光束质量、通过导光系统后激光束质量、聚焦光斑的质量以及焦点漂移四个方面全面考察了Slab CO2激光器的光束质量以及光束的传输、聚焦特性.结果表明,Slab CO2激光器具有高光束质量,其M2因子非常接近1的理想值;激光束具有良好的传输和聚焦性能,可以长距离传输;使用焦距为300mm的聚焦镜聚焦,聚焦光斑的束腰半径约为134μm,光束横截面能量分布接近理想的高斯分布,焦深约为5mm,在加工范围内(3m),激光束的焦点漂移量大约为1mm.另外,采用Slab CO2激光器对厚度为10mm的低碳钢在不同的离焦位置进行激光深熔焊接实验,讨论了激光光束质量和焦深对焊接结果的影响.     

超声速燃烧场高密度光学测量环设计方法研究

超燃冲压发动机激光吸收光谱测量系统目前主要采用分立式光学探头形式与发动机机体固定,但是受到探头尺寸的限制,无法获得高分辨率的流场信息。文中设计了一种基于自由曲面透镜和透镜阵列相结合的燃烧场高密度光学测量环。该测量环采用两层结构,发射端分别位于每条边最边缘位置,激光准直透镜和自由曲面透镜形成扇形光束,扇形光束穿过被测流场后,经过楔形镜偏转和聚焦透镜聚焦,进入接收光纤后传送至探测器。测量环接收单元最小间隔为5 mm,实现了在5 cm×7 cm空间内88条光线的密集排列。重点讨论光学系统光线分布设计方案,并给出收发端结构设计方案,实验结果表明,光线利用效率大于50%,光线总传输效率大于55%。设计的高密度光学测量环可以直接与发动机机体相衔接,避免环境因素干扰,可以实现对超燃冲压发动机隔离段、燃烧室出口等处温度、组分浓度的二维分布测量。     

裂像镜在激光测距机离焦检测中的应用

为了减小探测器离焦问题对激光测距系统的影响,设计了一种基于裂像镜的主动型测距机探测器装调系统。首先,分析了裂像镜的成像原理,并对其检测精度进行了理论分析,构建了裂像离焦数学模型;其次,针对影响检测的误差因素,给出了不同取值下的误差曲线,得到了检测精度影响的变化趋势;最后,设计完成理论样机并进行实验验证。实验结果表明:理论样机在离焦量为0~6 mm时,检测精度可以达到0.07 mm, 较为接近理想值,且离焦量越小离焦检测精度越高,符合装调测量习惯。该离焦检测系统为非成像型光电探测器装调提供了一种新方法,能够进一步提高激光测距系统的测量精度。     

基于高斯光束的飞秒激光光束质量检测技术

为了研究飞秒激光光束质量因子M2基于高斯光束的传播特性和能量密度分布, 在对飞秒激光光束质量因子进行理论研究的基础上, 进行了相应的数据计算, 给出了飞秒激光脉冲照射屏幕表面时所形成的环形光斑宽度的测量方法, 设计了一套由飞秒激光器、透镜、介电材料玻璃屏幕所组成的实验平台; 将该方法与刀口法和CCD法测量值进行了对照, 并用刀口法、CCD法确认了飞秒激光束腰在不同位置时的激光光束质量因子取值范围。结果表明, 光束质量因子M2在x和y方向上的测量值分别为2.04, 1.24。该实验结果与理论分析基本一致, 比刀口法和CCD法结构简单, 所得结论数据可靠、执行方便, 对精密测量有一定的参考价值。     

参考光为平面波和球面波时焦距检测对比研究

为了研究参考光波面形状对于测量透镜焦距值的影响,采用数字全息的方法进行了理论分析和实验验证。通过在两种色光下进行实验,分别测量出参考光为平面波和球面波时的焦距值,并与标称值和理论计算值进行了比较。结果表明,当参考光为平面波时,测量到的透镜焦距值与标称值和理论计算值相对误差在5%以上; 而当参考光为球面波时,与两者的相对误差均在2%以下,因此当参考光为球面波时所测量的焦距值精度更高; 通过计算得出这两种参考光所测量的焦距值都在理论焦深范围内,故利用测量焦距值对全息图进行重构时所获得的再现像与用标称值和理论计算值所得到的再现像质量相当。这一结果对测量透镜焦距值和数字全息图重建方面有一定的帮助。