基于透射式非稳腔的单纵模TEA CO_2激光器

为了获得TEA CO_2激光器高质量的单纵模输出,对种子注入锁定的TEA CO_2激光器进行了研究。首先,本文提出了一种透射耦合输出的虚共焦非稳谐振腔方案,利用Glad软件的Prony法对腔模的演化进行了仿真分析,并实验记录了近场与远场的光斑光强分布。仿真结果与实验结果吻合,验证了此腔型方案的合理性。其次,在此腔型的基础上进行了腔外种子注入锁定实验,实验结果显示:自由振荡时存在频率为195 MHz的拍信号,当种子注入锁定成功后,输出激光拍频消失,波形变光滑,峰值功率降低48.6%,脉冲产生时间缩短20ns。实验结果与已有成果吻合,验证了此种透射式非稳腔的TEA CO_2激光器具有输出高质量单纵模的能力。     

声光调QCO_2激光器的理论计算和实验研究

采用谐振腔内插入声光调制器的方法进行了小型CO2激光器的调Q实验,并根据影响激光器输出的诸多因素,利用调Q脉冲激光器速率方程对该激光器输出的主要技术参数进行了理论计算,据此提出了声光调QCO2激光器优化设计的途径和方法。设计制成的声光调QCO2激光器获得峰值功率超过4000 W,激光脉冲宽度为180 ns,与理论计算基本一致。激光器脉冲重复频率调节范围1 Hz~100 kHz。理论分析和实验结果均证明,调Q晶体中超声场的渡越时间并不会影响输出激光的脉冲宽度,因此无需在腔内插入光学透镜进行光束直径的压缩变换;渡越时间的影响只是体现在延长了激光脉冲的建立时间上;激光器的最佳工作频率在1 kHz左右,这与CO2分子0001能级大约1 ms的辐射寿命相匹配,当频率超过1 kHz时,激光的脉冲宽度随着频率的增加而开始加宽。激光器通过光栅选线的设计方式实现了9.2~10.8μm的全波段波长调谐,测得激光输出谱线超过60条。     

非链式脉冲DF激光器增益分布特性

为了研究非链式脉冲DF激光器的增益分布特性,在考虑谱线碰撞加宽和多普勒加宽对增益系数影响的基础上,运用变耦合率法给出了计算增益系数的简便公式。利用光阑移动扫描采样法,实验测量了不同输出镜透过率条件下DF激光器增益区横截面上各采样点的激光输出功率。对于每个采样点,计算得到两个独立的增益系数,其标准差差小于3%。激光平均增益系数为2.594 3 m-1,非输出损耗系数为1.243 5 m-1。对各采样点的增益系数进行二维插值,结果显示在激光增益区横截面上增益系数呈现中央高、边缘低的超高斯分布。研究成果可为非链式脉冲DF激光器谐振腔和电极结构设计提供依据,并可为该激光器的气体放电均匀性分析提供参考。     

500倍卡塞格林式太阳能聚光镜设计与仿真

对500倍卡塞格林式太阳能聚光镜进行了设计仿真,克服了传统聚光系统结构复杂、造价昂贵且聚光倍数低的弊端。利用卡塞格林结构具有光束耦合及高倍聚光的优点进行编程建模,设计了卡塞格林式500倍太阳能聚光镜,给出了设计方法及运用光学软件ZEMAX的模拟结果。模拟结果表明,设计的太阳能聚光镜消除了球差的影响,较传统聚光镜有更高的光学效率。在二维追日系统跟踪精度为0.5°时,实现有效聚光比544倍,光学效率71.09%,且价格低廉、结构简单,为太阳能聚光镜商业化开辟了一条新途径。     

声光调QCO_2激光器的动力学模型

利用六温度模型理论对声光调QCO2激光器的动力学过程进行了理论分析,并与速率方程理论计算的结果进行了比较,证明这两种理论在激光输出性能方面的计算结果基本一致。六温度模型理论模拟的脉冲激光波形有明显的拖尾,与实验结果更相符,且更全面地解释了激光器工作气体中不同分子能级间的能量转移过程。利用六温度模型模拟了输出功率作为输出镜透射率的函数曲线,得到了最佳输出镜透射率参数,其结果与实验相符。实验表明,输出窗口的透射率对激光输出性能影响明显,可通过优化输出镜透射率来改善激光器的输出性能。实验中获得的激光脉冲宽度为160 ns,峰值功率为4750 W。     

非链式DF激光器非稳腔数值仿真与实验

基于描述光束传播的菲涅耳-基尔霍夫衍射积分理论,运用快速傅里叶变换算法仿真了非稳腔DF激光的三维近场、远场光强分布。仿真结果显示:非稳腔的近场输出光斑形状为中心对称的空心圆环,远场输出光斑为具有中心亮斑的多级衍射环;大M数将导致近场光斑能量集中,大的Neq值将引起远场发散角变大。运用该算法研究了腔镜倾斜对近场光强分布的影响:腔镜倾斜使光束近场分布变差,倾斜角越大,光强的非对称分布越明显。开展了非链式DF激光器非稳腔实验研究,实验得到的近场、远场光强分布及腔镜失调下的近场光斑变化情况与数值模拟结果一致,实验测量的远场发散角为1.2 mrad。文中的仿真结果可为DF激光器腔镜失调诊断及调节提供依据。     

小型化轴流式非链式脉冲氟化氘激光器

采用轴流循环流动方式更新非链式脉冲氟化氘（DF）激光器工作介质，搭建了一台小型化自引发放电DF激光器实验装置，开展了轴流DF激光器输出性能实验研究。单脉冲工作时，在工作气体配比SF₆∶D₂=10∶1，总气压8 kPa时，实现单脉冲能量800 mJ激光输出，全波半高宽约120 ns，其性能与横流放电非链式脉冲DF激光器相似。重复频率放电时，实现了DF激光器重复频率20 Hz稳定运转，得到的最大输出功率为13.1 W，重频脉冲幅值差优于±5%，并展望了轴流式DF激光器高重频工作的前景。文中提出的轴流式非链式脉冲DF激光器为小型化、工程化中红外光源提供了新的技术途径。     

非链式脉冲DF激光器非稳腔设计与实验研究

采用正支虚共焦腔型对非链式脉冲DF激光器进行非稳腔参数设计并开展实验研究,通过与平凹型稳定腔的对比,揭示了非稳腔在压缩激光远场发散角、提升光束质量方面的显著优势。选取能体现远场能量集中度以及实际光束与理想光束偏移程度的衍射极限倍数β为光束质量评价参数,实验中以86.5%环围能量定义光斑大小,并利用90-10刀口法测量光斑尺寸。通过对不同放大率及模体积的9组非稳腔实验结果的对比,得到了设计优化非稳腔结构参数的规律。综合输出能量、远场发散角、衍射极限倍数β三方面因素,得到了最佳非稳腔参数为放大率M=1.89,后反射镜口径D=40mm,此时激光远场发散角(全角)为0.74mrad,β=1.35,输出能量为1.86J,峰值功率为16.4MW。     

声光调Q CO2激光器波长调谐理论分析与实验研究

采用旋转光栅法实现了声光调Q CO2激光器可调谐脉冲激光输出。理论分析了CO2激光波长调谐特性,发现调节各支谱线腔内损耗是实现激光波长调谐的有效方法。进而理论计算了特定设计波长闪耀光栅的衍射效率与激光波长间的关系,结果显示光栅调谐的激光谱线自准直角与光栅闪耀角一致时具有最高的衍射效率。采用闪耀角分别为31.97（闪耀波长10.59 m）和28.71（闪耀波长9.60 m）的光栅实验研究了声光调Q CO2激光器波长调谐特性,分别获得了65条和75条激光谱线。实验结果显示:光栅设计闪耀波长处于弱激光增益分支时可获得更多条激光谱线,该实验与理论计算结果相符。在脉冲重复频率为1 kHz时,获得10.59 m激光脉冲宽度为160 ns,平均功率4.2 W,脉冲峰值功率26.25 kW,且稳定性良好。     

非链式脉冲氟化氘激光器光谱特性

为了探索氟化氘(DF)激光器级联效应及工作气体参数对激光光谱的影响,对自引发放电非链式脉冲DF激光器进行了光谱特性测试。采用DF激光谱线分析仪和Hg Cd Te光电探测器测试了P3(7)→P2(8)→P1(9)光谱脉冲波形,发现P1(9)支谱线率先实现振荡输出,脉冲前沿延迟80~100 ns后P2(8)、P3(7)两条谱线依次输出。在不同工作气体配比及总气压条件下测试了DF激光输出谱线条数及各谱线间相对能量,在3.5~4.2μm光谱范围内测得了22条激光跃迁谱线,且总气压为8.1 k Pa,工作气体(SF6和D2)气压配比为6:1时,具有量子级联效应的P3(8)→P2(9)→P1(10)光谱串能量占总输出能量的25.9%。结果表明,多谱线DF激光器能级间存在量子级联效应,通过优化工作气体参数可有效提升级联谱线输出时增益提取效率。