基于衍射计算的激光束变换应用研究

通过建立等效近似光学系统,研究了激光加工用的抛物面反射聚焦系统的光学变换特征,并根据标量衍射理论,导出任意给定入射光束在通过光学系统后不同空间平面上光束的强度分布,并对实际检测的高功率高阶混合多模激光束通过聚焦系统后的光强分布做了详细的计算。结果表明,衍射计算的结果与实验相吻合。     

高功率激光系统鬼光束光控制技术研究

通过理论计算与实验研究,详细分析了鬼光束(ghost beam)的传输与变换规律.研究了高功率激光系统中鬼光束聚焦形成的鬼点(ghost image)的位置与规避方法,在某高功率激光装置预放大系统中通过角度倾斜与透镜迎光面的选择等措施,成功避开了鬼点对各种光学元件带来的损伤,同时融合了笔形光束与反激光的控制技术,提高了系统输出信噪比,获得了稳定可靠的系统输出特性.     

激光聚光系统中激光光学与几何光学设计参数间的差异研究

针对一结合激光光学理论设计的激光聚光系统,本文运用矩阵光学理论精确地计算了高斯光束经过该系统变换后的主要设计参数,并与几何光学的设计参数进行了比较。     

应用于高能激光系统的发射聚焦装置研究

为了满足当前高能激光系统的工程应用需求,设计了针对高能激光聚焦的发射聚焦装置。首先选取了折反式二级扩束光学系统作为设计模型,然后利用光学设计软件序列模式对光学系统进行了设计优化,获得了平面波光束在不同距离聚焦的设计结果。其次由于平面波光束和高斯光束在调焦量上存在差异,通过矩阵光学理论计算了针对高斯光束聚焦的调焦修正量,并利用光学设计软件非序列模式重构光学系统,并以非相干空间合束的高斯光束作为入射光,进行了高能激光的传输聚焦仿真验证。在系统参数一致的条件下,与常规的离轴反射式光学系统进行对比。对比结果证实了本文设计的光学系统光学性能优良,可满足对入射高能激光在0.5~5 km范围内聚焦,最后开展的样机实验也验证了设计的正确性和合理性。     

离轴抛物面镜对超短激光脉冲紧聚焦特性的研究

为了研究超短激光脉冲光束质量对焦斑的影响,采用经典的几何模型进行了理论模拟分析,并实验研究了离轴90°抛物面镜的飞秒激光光束的紧聚焦特性。由理论分析和实验结果可知,当入射失准角为3mrad时,将从空间上使焦斑峰值功率密度减半,失准角的存在将引起到达靶面的激光脉冲的时间展宽从而降低焦斑峰值功率密度;利用3TW钛宝石飞秒激光系统,通过ƒ/1离轴90°抛物面镜对激光束进行紧聚焦,得到最佳焦斑尺寸为5.6μm×5.4μm,对应于3mJ和96mJ的飞秒脉冲激光光束的焦斑峰值功率密度分别为3.83×1017W/cm2和1.23×1019W/cm2。结果表明,该研究为开展激光与固体、气体、团簇等物质相互作用的相关实验提供了重要的参考。     

选区激光熔化中激光束的传输变换及聚焦特性

为了获得光束质量较好、光斑尺寸较小、功率密度较高的、适合于在选区激光熔化快速成型技术中应用的激光束,对应用于选区激光熔化快速成型技术中的高斯光束进行传输与变换。对其传输变换及聚焦特性进行了理论分析与实验验证,实验结果与理论分析的结果相符。取得了功率密度达106W/cm2以上的、光斑尺寸较小的、满足于在选取激光熔化技术中应用的光斑。将其应用于镍基合金(Ni25)和铜磷合金粉末的三维选区激光熔化快速成型。结果表明,这种传输变换及聚焦特性是可行有效的,得到了满足要求的光斑尺寸和功率密度。     

基于双轴锥镜的环形激光束整形

为了改善非稳腔高能激光系统的光束质量,提高发射光学系统口径的利用率,采用新型的可用于光学非稳腔输出环形光束的光学整形方法,通过在激光腔外的光路上增加光学元件对输出的环形激光束进行了整形变换。在理论分析的基础上,设计并加工了基于双轴锥镜的光束整形装置,针对非稳腔高能激光器输出的环形光束进行了整形实验,取得了与理论分析一致的数据。结果表明,采用双轴锥镜装置整形后的光束比原始光束具有更好的光束质量,光束束腰直径由45mm减小为32mm,光束质量因子M2由14减小到11.8。该方法用于光学非稳腔输出环形光束整形变换具有可行性。     

组合式CO_2激光焊机高斯光束的计算与实验

介绍了利用多支小功率CO_2激光器组成的新型组合式激光焊机及其关键部件——光学系统。根据高斯光束及其一系列公式,对组合式CO_2激光焊机高斯光束经过其光学系统时的参数作了理论计算,说明多激光束经其光学系统后,可以在极小区域内聚焦,通过实验也验证了这些结果,功率亦可迭加为500W。还作变换不同焦距透镜的实验,得到了与理论计算基本     

强激光的计算模拟:平顶高斯光束模型

基于广义惠更斯－菲涅耳衍射积分,将平顶高斯光束作为一个整体光束,对其基本性质和变换特性作了统一研究。推导出了平顶高斯光束通过有线性增益（损耗）的近轴ABCD光学系统、无光阑和有光阑ABCD光学系统后解析形式的传输方程。对平顶高斯光束的相似变换以及与超高斯光束的一致性也作了分析。所得结果对强激光的模拟提供了一个有用的计算模型。     

无透镜Z—扫描测量系统及其在高阶非线性研究中的应用

本文在理论上计算了超短激光脉冲经过光不部件的展宽效应并实际给出了一种基于镀铝反射镜的小色散Z－扫描测量系统,同时也对实验中的其他重要参数进行了讨论。对该系统在材料高阶非线性光学特性测量中的应用进行了研究,实验显示测量曲线与理论拟合曲线吻合较好,所求得非线性参数值与报道值也较吻合。最后给出了对一种个有较大三阶非线性光学特性的新型发光材料的测试结果。     

一种大功率激光加工用新型宽带光斑成形抛物面镜

介绍了一种大功率激光加工用新型宽带光斑成形抛物面镜的设计原理和实验结果.根据几何光学原理,采用光线追迹的方法对该抛物面镜的光斑进行分析,证明通过抛物面镜反射聚焦后,能够将原始圆形激光束整形为光强分布均匀的窄条形光斑.并利用该新型抛物面镜及横流CO2激光器,对45#钢进行了激光相变硬化研究,测量了淬火带尺寸和淬硬层深度,并对硬化层形貌及其金相组织进行了观察和分析.结果表明,当激光器输出功率为3 kW,窄条光斑长度12 mm,扫描速度15 mm/s时,该45#钢淬硬层硬度值可达540～580 HV0.3,是非淬硬层的3.5～4倍.淬硬层深度约为1 mm,单道淬火宽度10 mm以上,硬化层分布均匀.     

3kW射频板条CO2激光器功率稳定性的研究

为了解决3kW射频板条CO₂激光器在高功率工作条件下功率波动的问题,采用外光路转折镜调节方法对腔镜热畸变造成的光路偏移进行补偿。研究了基于芯片TMS320LF2407的脉宽调制器控制激光器注入功率的关键技术,设计了整形光路尾镜取样功率检测系统,并分析了外光路自适应调节系统的补偿原理。结果表明,整形光路尾镜取样功率检测系统与基准功率计的最大误差为±2.59%,其具有高线性度;采用PA 100/T 14型压电陶瓷微位移驱动器,对微动距离不超过54μm的自适应调节转折镜进行调节补偿,光束偏移不会超出空间滤波器的0.8mm狭缝宽度;调节补偿前后输出功率波动由18%降到2%,达到了由于腔镜热变形导致光束偏移的补偿要求,整形光束的旁瓣消失,获得最佳模式输出。此项研究对提高激光器输出功率稳定性具有一定的实用价值。     

微反射镜阵列在光束整形中的应用

在激光的实际应用中,需要利用光束整形技术将激光器的输出光束调制为期望的光强分布。微机电系统的发展为光束整形提供了一种解决方案。采用微反射镜阵列,实现了激光光束的整形。基于随机化的思想提出了相应的算法,分析了算法在不同单元数目和不同噪声水平下的表现,为实际应用提供了有价值的参考依据。最后,建立了实际的光路模型,进行了光线追迹,给出单模高斯光束以及考虑噪声情况下的仿真结果。分析结果表明,使用微反射镜阵列可以有效地实现不同输入下的激光光束整形,并且具有极大的灵活性,为光束整形提供了一种新的手段。     

Wave-beam shaping using multiple phase-correction mirrors

This paper describes a scheme for shaping a given wave beam into the desired profile using multiple phase-correction mirrors. This mirror system was applied to a gyrotron internal converter to flatten the radiated beam profile at the window. The flat output beam is reconverted into HE11 mode, a basic propagation mode for corrugated waveguides, by another pair of phase-correction mirrors for transmission into a fusion reactor. In addition, a wave-beam splitting and combining technique is also presented     

新型激光二极管列阵光束整形方法

设计并制作了一套简单有效的光束整形系统,用以改善激光二极管列阵器件(LDA)的光束质量,减小快慢轴光束质量积的差别,实现高亮度光纤耦合输出。首先采用快慢轴准直透镜压缩LDA的发散角,然后采用双面分区镀膜的单片平面镜,通过反射和折射将压缩后的LDA慢轴方向的光束分为7束,并将7束子光束在快轴方向重新排列,实验测得整形装置的效率为95.2%。该整形系统设计简单,效率高,具有很高的应用价值。     

多棱镜激光扫描非球面透镜聚焦系统研究

为了提高激光打孔生产质量和降低生产成本,提出了一种多棱镜旋转扫描非球面透镜聚焦在线打孔方案。系统将CO2激光器发出的连续光束经光调制器入射在多棱镜的其中一个表面上,光束经过反射依次扫入聚焦透镜组中。由于轴外像差和扫描速度失真会引起聚焦光斑的线性畸变,从而导致打孔形状的变化,通过选取非球面透镜对光束整形,在聚焦同时调整聚焦光斑的形状以控制打孔的形状。结果表明,在扫描系统中线性误差可控制在0.5%内,打孔大小形状满足生产要求,与传统激光打孔方式相比,提高了打孔的质量与效率。     

采用激光并使用热释电探测器的甲烷浓度分析仪

介绍了一种以InP／InGaAsP半导体激光器作测量光源，以钽酸锂热释电探测器作光电转换器件、以8031单片机为核心为实现的双光束单色甲烷浓度分析仪。该分析仪由探测器系统、信号放大与处理系统及显示输出系统三部分组成．其中，探测器系统主要包括激光器、准直镜、扩束镜、分束镜、全反镜、红外窗口、气路、取样泵、窄带干涉滤光片及钽酸锂热释电探测器等；信号放大与处理系统主要包括前置放大电路、选频放大电路、采样保持电路、模-数转换电路、整形放大电路及8031单片机等；显示输出系统主要包括显示器、打印机及声报警器等。文中还描述了该分析仪的工作原理与基本结构，讨论了其中的技术难点及其相应的解决方法。     

激光扫描弧形柱面聚焦系统的研究

为了解决在柱面等曲面上激光打孔的问题和提高打孔成型效果,提出了一种扫描弧形柱面聚焦方案,系统将CO2激光器发射的脉冲激光调制后,入射到柱面聚焦镜压缩为线性光斑,之后经由旋转反射棱镜实现激光扫描,线性扫描光斑在经过弧形柱面聚焦镜后在曲面上聚焦为圆形光斑,实现了对光束的整形和曲面打孔。结果表明实现了在曲面上0.15mm大小的光斑,满足了包括烟支在内的工业生产需求,与传统的平面聚焦打孔方式相比本方案有更大的应用空间。     

基于涡旋光源和相位优化的中继镜系统上行链路光束传输缩比实验研究

激光中继镜技术是一项备受各方瞩目的新型系统作战概念。光束在上行链路传输过程中,接收望远镜的截断和次镜的阻挡导致了严重的能量损耗,降低了中继镜系统的性能。涡旋光源和相位优化是提升激光中继镜系统上行链路能量效率的有效方法之一。以光源口径为1.2 m,上行传输距离为30 km,上行接收望远镜外径为1.2 m,内径为0.24 m的中继镜系统为原型,搭建了相同菲涅耳数的中继镜系统光束上行传输缩比实验装置,通过液晶空间光调制器反射调制NdYVO4光源的方法产生涡旋光源,并由随机并行梯度下降算法优化涡旋光源相位分布,开展了中继镜系统上行链路光束传输缩比实验研究。实验结果表明,通过采用涡旋光源和相位优化,中继镜系统上行链路能量效率得到了显著提高,由71.89％提升至91.59％。     

激光显示系统中光束行偏转器的设计与研究

首次提出并设计了适合于高速偏转场合的多柱转镜式行偏转器,给出了加工工艺.研究了多柱转镜的扫描效果和光束入射的最优位置;分析了多柱转镜的动力学特性.采用多柱转镜作为光束行偏转器可以简化系统结构、降低系统成本,由于工作转速低,简化了转镜的静平衡和动平衡,可有效提高转镜的运转精度;多柱转镜反射的光束经过调整透镜的调整,提高了系统的性能.