腔内像差扰动对正支共焦腔模式的影响及腔内像差校正

腔内像差扰动对激光器输出模式有显著的影响,直接带来输出光束质量和能量的下降。采用数值迭代法分析了正支共焦腔腔内倾斜扰动对耦合输出相位模式的影响,并采用泽尼克像差对波前相位进行了拟合,得到前35阶泽尼克系数、点扩展函数(PSF)和环围能量曲线,从而全面反映光束质量。并采用哈特曼-夏克(Hartmann-Shack,H-S)波前传感器进行了实验定量测定,用模式法进行了波前复原计算。针对腔内低阶像差校正问题进行了原理性实验研究,建立了控制腔内凸镜的像差校正系统。结果表明,控制系统对腔内准静态像差扰动闭环效果较好,输出光束前10阶泽尼克像差、波前畸变的峰值(PV)和均方根(RMS)值均得到明显减小。     

扰动对非稳腔模式的影响和腔内倾斜像差校正

采用哈特曼-夏克(Hartmann-Shack)波前传感器分析了腔内扰动对无源正支共焦腔调腔光模式的影响,用模式法进行了波前复原计算。引入等量扰动,腔内凹镜对于腔模的影响大于凸镜;且对于大菲涅耳数非稳腔,腔内倾斜扰动量与输出光束中查涅克(Zernike)倾斜像差系数具有较好线性关系。建立了基于哈特曼-夏克波前传感器进行腔外探测,控制腔内凹镜的低阶像差校正系统,比较了在不同腔内扰动状态下对倾斜像差的控制结果。实验表明,对于腔内扰动频率较低或者准静态的情况,控制系统对腔内倾斜像差的校正具有较好的效果。     

采用H-S波前传感器探测虚共焦非稳腔输出光束波前像差

在腔内失调理论分析基础上,实验研究了无源虚共焦非稳腔失调前、后输出光束波前像差特性。结果表明,用Hartmann-Shack波前传感器进行探测,并用模式法进行波前重构可以较好反映输出光束波前像差,虚共焦腔耦合输出调腔光的波前Zernike像差主要集中在前15阶,其中比较显著的像差有离焦Z3、低阶像散Z4和Z5、以及球差Z10。且腔内倾斜扰动对光束强度分布有显著的影响,可能引起某些Zernike高阶像差如离焦、慧差和像散的增加,但首先带来的是Zernike倾斜像差的增大。因此在作腔内像差补偿时,应首先考虑腔内倾斜像差的补偿。     

虚共焦非稳腔腔内失调因素分析及实验研究

在腔内失调理论分析基础上，采用Hartmann?蛳Shack波前传感器实验研究了无源正支共焦非稳腔失调后输出光束像差特性，结果表明，腔内倾斜像差对光束强度分布有显著的影响，但小的腔内倾斜扰动不会使输出光束的相位分布中的高阶像差发生变化。当腔镜垂轴移动偏离光轴时，可能引起某些Zernike高阶像差，如彗差和像散的增大，但首先带来的是Zernike倾斜像差，类似于引入腔内倾斜扰动时的结果。因此在做腔内像差自适应校正时，应首先考虑腔内倾斜像差的校正。该方法为腔内像差特性的研究和像差校正提供了一定参考。     

腔内扰动对虚共焦腔模式的影响及Zernike像差拟合

为实现高功率或高能激光器输出良好的光束质量和能量,分析了腔内像差扰动对非稳腔模式的影响,采用数值迭代法理论计算了腔内倾斜扰动对无源虚共焦非稳腔输出模式强度和相位分布的影响,并采用Zernike模式法对光束相位进行了像差拟合分解,得到了前35阶像差系数,通过进一步计算得到点扩散函数和环围能量曲线等,从而全面了解输出光束质量.结果表明,对小菲涅耳数虚共焦型非稳腔,腔内倾斜扰动不仅带来输出光强分布的不均匀性,且对相位分布有明显的影响,使相位中的一些高阶Zernike像差如A_3,A_7和A_(10)等增大.计算结果对研究高能激光器腔内像差校正有一定参考意义.     

腔内扰动对虚共焦腔模式的影响及Zernike像差拟合

为实现高功率或高能激光器输出良好的光束质量和能量,分析了腔内像差扰动对非稳腔模式的影响,采用数值迭代法理论计算了腔内倾斜扰动对无源虚共焦非稳腔输出模式强度和相位分布的影响,并采用Zernike模式法对光束相位进行了像差拟合分解,得到了前35阶像差系数,通过进一步计算得到点扩散函数和环围能量曲线等,从而全面了解输出光束质量.结果表明,对小菲涅耳数虚共焦型非稳腔,腔内倾斜扰动不仅带来输出光强分布的不均匀性,且对相位分布有明显的影响,使相位中的一些高阶Zernike像差如A3,A7和A10等增大.计算结果对研究高能激光器腔内像差校正有一定参考意义.     

基于H-S波前传感器的正支共焦腔准直技术研究

采用H-S波前传感器对非稳腔进行了实验调腔技术研究,指出了正支共焦腔调腔的原则,以输出光束近场强度和相位分布这一双重依据作为谐振腔是否调好的标准.进行非稳腔调腔时,首先应当保证整个光路共光轴使输出强度分布均匀,但此时光束中可能还包含离焦等高阶像差,因此在腔外用Hartmann-Shack波前传感器进行光束相位测量,得到了35阶像差Zemike系数、波面PV和RMS值,进一步计算得到环围能量曲线等,从而可以全面了解输出光束质量并能有针对性地对光腔进行调整,达到较理想的光腔共轴状态.     

百瓦级环形非稳腔板条激光器腔内校正

提出一种环形非稳腔结构,该结构将传统驻波非稳腔腔内的非共轭像差校正转换为共轭像差校正。搭建了百瓦级环形非稳腔Nd:YAG板条激光器,采用59单元自适应光学系统对腔内像差进行校正。利用980 nm参考光束和Shack-Hartmann波前传感器测量腔内像差,采用加权最小二乘法复原波前像差,最后用倾斜镜和变形镜进行校正。最终在低抽运功率下将输出功率从105.8 W提高到113.1 W,光束质量β因子从6.98优化到2.33。该研究为环形非稳腔应用于高功率固体激光器并获取高输出光束质量提供了一种技术途径。     

基于泽尼克模式系数的自适应光学遗传算法

为了提高遗传算法(GA)控制的自适应光学(AO)系统的收敛性能,建立了一套新型的基于泽尼克(Zernike)模式系数的19单元自适应光学系统模型。在优化过程中,遗传算法不直接优化变形镜(DM)19个驱动器上的电压值,而是优化前10阶泽尼克模式系数。推导出19个电压值与前10阶泽尼克模式系数之间的关系矩阵,并进行了对比数值仿真。结果表明,该系统能够更好地校正固体激光器系统输出光束的波前像差。相对于直接优化变形镜电压值的无波前自适应光学系统,该自适应光学系统能够将遗传算法的收敛速度提高5倍以上。     

基于轴向移动柱面-泽尼克校正元件的动态像差校正技术

椭球形窗口光学系统最显著的特点在于其依赖扫描视场的动态像差变化特性,像散和彗差成为影响光学系统成像质量的主要因素,其中像散的影响最为突出。为解决这一难题,结合柱面透镜和泽尼克位相板的特点,提出了一种新颖的动态像差校正方法,即柱面-泽尼克元件校正方法,此元件的外表面为一对母线互相垂直的圆柱面,对应的两个内表面为泽尼克边缘矢高表面。该方法随扫描视场的变化实时地调整一对柱面-泽尼克校正元件间距以实现椭球形窗口引入像差的动态校正。突破了固定校正元件无法实现超大扫描视场的瓶颈。设计实例中成像光学系统实现了±55°扫描视场,各扫描视场像散和彗差的泽尼克像差系数P-V值校正到了±0.8个波长以内,椭球形窗口光学系统的成像质量得到了明显的提高。     

Effect of various outcoupling options on free-electron ring laserperformance

The power extraction and lowest-order transverse-mode structure of a free-electron ring laser with hyperboloid-paraboloid grazing incidence telescopes are studied as a function of the method used to outcouple the beam. Four different resonator configurations, with various outcoupling and intracavity optics, are modeled using a free-electron laser, wave optics computer code. A stable ring with a diffraction grating outcoupler gives better power extraction and transverse-mode structure than unstable rings and scrapers which outcoupled either an annular ring or central spot. Efforts to reshape the intracavity beam after scraper outcoupling in order to improve interaction with the electron beam in the wiggler did not produce power extraction equivalent to that of the stable ring     

大通光孔径气动窗口光学特性研究

实验研究了引射式大通光孔径气动窗口光学特性。由哈特曼激光光束诊断仪采集的数据给出了激光束通过气动窗口后的Strehl比,波像差,Zernike多项式各系数。从这些光学特性参数可以分析引射气压、气动窗口结构对通光光束质量的影响。研究表明随引射气压增加使通光光束发散,这和环形喷嘴喷出的气流形成的轴向气体密度分布的梯度变大有关。非均匀分布的抽口使波阵面偏斜,这会使光束漂移。     

高功率激光系统中内光路热变形的仿真及实验研究

为了研究高功率激光系统中的内光路热变形累积效应对光束质量的影响，开展了理论和实验研究。首先，选择三种非稳腔输出的典型高功率激光，激光功率分别为10 kW、50 kW和100 kW，通过热动力学瞬态方法的有限元分析对激光照射的反射镜进行热变形分析。然后，利用光线追迹理论得到激光的波前像差。最终，激光远场光束质量中的Strehl比，因子可以通过Fresnel衍射积分进行计算和对比分析。仿真结果表明，由于内光路反射镜的热变形，远场光束将出现偏心和像散的现象，其中心光强及会聚能力均会下降。随着内光路反射镜的增加，Strehl比减少而因子增加，远场光斑x方向的倾斜、像散及彗差也会逐渐增加，将成为系统的主要像差。为了和上述理论仿真结果进行对比，建立了一个测量反射镜热变形实验平台，实验中采用10 kW的TEA CO2激光器照射99%反射率的铜反射镜，通过等效放大原理，实验结果可以部分代替50 kW和100 kW功率水平。镜面热变形的测量精度小于/15，并和仿真结果吻合得较好。结果表明，反射镜的热变形在激光功率超过10 kW时不能被忽略，且随着激光功率及反射次数的增加，这种热畸变将变得越发严重。所得结果将对高功率激光系统的热畸变分析过程提供指导，并可应用于激光核聚变及激光武器系统等的设计分析中。     

Optimization of an injection-controlled excimer laser guided byanalytical modeling

The application of an analytical model describing the injection control of pulsed laser systems is successfully demonstrated for the design of a scaled XeF(C→A) excimer laser system. Enhancements to an earlier version o the model which improve the treatment of spatial beam overlap and saturation, unpumped volume, intracavity losses, and a noninteger number of roundtrips in the unstable resonator are described. These result in the accurate simulation of injection-controlled laser performance over a wide range of unstable resonator magnifications, mirror spacings, and intracavity optical losses. Excellent agreement between calculated and experimentally observed energies and temporal profiles of the injection-controlled laser output was obtained     

A double-ended, unstable resonator submillimeter laser

The characteristics of a pulsed, methyl fluoride laser utilizing a novel, double-ended unstable resonator are described. The design incorporates an intracavity, double-faced scraper mirror to produce separate input/output ports for CO2pump laser excitation and submillimeter laser output. Experimental results show that this configuration achieves state-of-the-art conversion efficiency and diffraction-limited beam quality.     

分子束外延GaAs／AlGaAs超晶格缓冲层量子阱材料的研究

采用分子束外延技术生长了ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ单量子阱得多量子阱材料。采用ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ超晶格缓冲层掩埋衬底缺陷，获得的量子阱结构材料被成功地用于制作量子阱激光器。波长为７７８ｎｍ的激光器，最低阈值电流为３０ｍＡ，室温下线性光功率大于２０ｍＷ。