大功率TEA CO2 激光远场发散角评估方法

在大功率激光远距离定向传输中,远场发散角是衡量其性能的一个重要参量。大功率TEA CO2激光具有功率高、光束直径大等特点,常规手段无法准确测量其远场发散角。为解决该难题,提出了一种利用激光光斑尺寸拟合分析法来评估大功率TEA CO2激光的远场发散角。首先,从理论上推导大Fresnel数多模高斯激光束远场发散角,分析了影响激光束发散角的主要因素;然后,采用光斑烧蚀法试验测量近场(20 m)光斑数据,基于光束质量(M2)因子理论拟合得出了激光光束质量和束腰大小,从而推导出激光束远场发散角;最后,对比分析了以上两种方法的计算结果,讨论了结果存在偏差的原因。结果表明,近场光斑数据拟合法可准确、便捷地测量大功率TEA CO2激光束远场发散角。     

激光光束质量综合评价的探讨

综述了现有的3类激光光束质量评价方法,即近场质量、远场质量和传输质量.主要的评价参数包括近场调制度和对比度、聚焦光斑尺寸、远场发散角、衍射极限倍数β因子、斯特列尔比、环围能量比以及M2因子等.讨论了它们各自的适用范围、优点和局限性.提出了采用M2因子矩阵以表述光束的像散特性,给出了M2因子的不变量.     

高斯光束低阶模焦点能量的相对分布

本文给出了高斯光束低阶横模聚焦后的焦点能量相对分布的解析解,并与不同放大倍率M值情况下的非稳腔单模远场聚焦特性进行比较。若以聚焦平面含激光总能量的80％作为光束发散角的统一基准,计算表明,在某些情况下,利用稳腔选模,可得到接近甚至优于非稳腔选模的良好光学质量,而且光腔结构简化,输出稳定性好及光电转换效率高。     

稳定光学谐振腔高斯光束的发散角理论

当考虑到高斯光束在通过界面时参数的变化后,光学谐振腔输出高斯光束的远场发散角(外发散角)一般不等于自由空间中高斯光束的远场发散角(定义为内发散角),使用ABCD矩阵,g-和g-参数表示,导出了在基模和多模工作时内、外发散角的一般公式并对(1)固体激光腔;(2)输出镜为平面镜;(3)激光棒端面直接镀膜成镜;(4)热透镜腔等四个典型例证作了比较和讨论。     

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。     

高斯光束的传输特性对法布里-珀罗标准具分光的激光雷达影响

高斯光束的传播特性直接影响激光雷达大气回波信号的发散角,进而影响法布里-珀罗标准具(FPE)的光学特性。从高斯光束的FPE三维干涉环分析,得到发散角小的高斯光束有利于获得能量较高的FPE零级或一级干涉环。探讨了高斯光束品质因子M2和准直倍率对不同高度的激光大气回波信号的影响。数值计算结果表明,FPE对大气回波信号的透射率与高度的变化有关,在近场变化明显,在远场相对稳定;且对特定高度大气回波信号的FPE透射率随着光束品质因子M2的增大而降低,随着准直倍率的放大而增强。所以应设计和选择具有较高准直倍率的准直发射系统和具有较低光束品质因子M2的激光光束,来提高FPE的透射率,同时对以FPE分光的激光雷达的近场回波信号进行FPE透射率校正,以改善激光雷达系统的测量误差。     

对激光光束质量一些问题的认识

从对激光光束质量研究进展开始,讨论了在傍轴和非傍轴范畴内激光光束质量的一些问题,主要是非傍轴光束的光束质量评价。光束传输的非傍轴矢量二阶矩理论可用于计算多种非傍轴光束的M2因子,但对M2因子的物理解释却有困难。例如,在非傍轴范畴,M2因子依赖于束腰宽度与波长之比,并可小于1。但远场发散角之值可趋于90°,这将导致很大的M2因子值。另一方面,若将公式中的光强用时间平均坡印廷矢量z分量代替,桶中功率(PIB),或等价地,?茁 参数可推广用于评价非傍轴光束的远场光束质量。PIB表征了光束功率的可聚焦能力,是一种简明、直观评价不同激光光束的方法。然而,在?茁参数的公式中的束宽是按功率含量百分比定义的,因此双曲线传输规律不再严格成立。     

基于楔板剪切干涉的高斯光束远场发散角测量

为准确、方便地测量高斯光束远场发散角,提出了一种基于楔板剪切干涉的方法:将传统的双向剪切干涉仪进行改装,使能同时测出激光传输路径上两个不同位置处的波前曲率半径,并由曲率半径求出发散角.该方法解决了传统剪切干涉法只能定性判断光束准直状态而不能定量测量发散角的问题,实现了剪切干涉对基模高斯光束发散角的定量测量.实验测量误差和理论分析结果相符.误差分析表明影响发散角测量精度的主要因素为干涉条纹宽度测量误差.     

一种朗琴尺型激光光束参量测量仪

针对气体激光器细光束的尺寸参数的工业测量和质量控制，提出一种朗琴栅尺扫描ＴＥＭ００基模高斯激光光束的测量分析仪。所研制的仪器可以测量分析光斑１／ｅ２直径、横场分布和调制对比度等光束参数，特别是可以在近场测定１／ｅ２光束远场发散角。描述了该仪器的基本原理、结构及测量结果。     

推广的高斯光束远场发散角理论

本文定义了光腔高斯光束的外发散角和内发散角。利用ABCD矩阵,g-、g~*-参数表示和为实验所支持的多模远场发散角的定义推导出了简单两镜腔和多元件谐振腔基模和多模外发散角和内发散角的一般公式,得出了(1)一般固体激光腔;(2)输出镜为平面反射镜;(3)激     

二维激光相干组束系统光束质量的评价与测量

以光束质量(BQ)作为二维激光相干组束系统输出激光光束质量的评价因子,对相干组束系统的光束质量进行了实验研究.利用光反馈环形腔被动相位锁定技术,搭建了二维4路光纤激光相干组束的实验平台,实现了4路光纤激光的相干组束.当选取理想光束口径为近场子光束外切圆直径时,以圆形平顶光束或高斯光束作为理想光束模型,对应不同的远场光斑...     

基于平行相位调制算法的半导体激光光束整形方法

半导体激光器的发射光束存在发散角大、光照强度分布不均匀等缺陷,使其不能直接用于干涉测量,为改善光束质量,提出基于平行相位调制算法的半导体激光光束整形方法。首先,分析平行相位调制基本原理,设计相位函数,提高信号光照强度,使脉冲相位分布情况满足傅里叶变换极限脉冲水平;其次为获取理想的基模高斯光束,结合正弦光栅算法,获取光束整形的全息图函数表达式;最后为确保入射光束能够铺满整个调制器,使该光束透过扩束镜,调整光束尺寸,并将扩束后的光束消像散全息图叠加到整形全息图中,从而得到理想的激光光束。仿真实验表明,所提方法使激光光束整形为无像散的基模高斯光束,光斑发散角对称性较明显,最低光束质量为81. 4 mm°mrad高于文献方法,能够满足精准度较高的干涉测量要求。     

激光束质量实时测量技术

提出一种新型光束质量实时测量技术,该技术主要基于由平板反射镜组成的多平面成像系统,一次性将激光束腰附近2倍瑞利距离内的多个光斑成像在同一个平面上,用CCD相机获取这些光斑的光强分布图样。通过图像处理获知接收到的光斑的光强分布。采用远场发散角、焦点尺寸、桶中功率比和M2因子四种光束质量评价标准对激光光束质量进行评价。利用该方法实时测量了高能钕玻璃双板条激光器的输出光束。     

非傍轴截断双曲余弦高斯光束的M2因子

基于功率密度的二阶矩方法,对非傍轴截断双曲余弦高斯(ChG)光束的束宽、远场发散角和M2因子进行了研究.数值计算结果表明,非傍轴截断ChG光束的M2因子不仅与截断参数δ、偏心参数α有关,而且与初始束腰宽度和波长之比w0/λ有关.在δ足够小时,M2因子可小于1.当δ→ 0时,远场发散角趋于渐近值63.435°.对于α=0(Ω0=0)和δ→∞的特例,我们的结果分别退化为非傍轴截断高斯光束和非傍轴无截断ChG光束的M2因子.     

全自动可变光阑测量激光发散角的工程化研究

激光远场发散角是评价激光光束质量的重要指标,根据远场发散角的定义和国际惯例,实际工程应用中设计出全自动可变光阑来测量激光远场发散角。在测量时利用图像处理和一阶重心距算法计算光斑中心,使可变光阑中心与待测激光束中心对准。测试系统自动由小到大变化光阑孔径,同时用探测器测量透过的激光能量。对光阑孔径和通过光阑的能量进行曲线拟合,算出总能量为1/e2时光阑的孔径,即对应于该处的激光束宽,从而可计算得出激光远场发散角。上述测量过程是利用虚拟仪器技术来全自动实现的,该激光远场发散角测试系统经过了项目验收和实际工程检验。     

980 nm高功率VCSEL的光束质量

利用CCD成像技术,设计出一种简单的测量垂直腔面发射激光器(VCSEL)的光束质量因子M2的方法。在注入电流分别为900mA,1500mA,3000mA和6000mA时,对出光孔径300μm,激射波长为980nm的垂直腔底面发射激光器的束腰等光束参数进行了测量,并应用激光光束传播的高斯方程拟合求得了M2因子的值分别为66,58,44和53。另外,当注入电流为900mA和3000mA时,对器件的远场分布进行了分析并测得了器件的远场发散角,测量值与理论计算值吻合较好。     

电激励重频HF激光器非稳腔设计及实验研究

为实现电激励重频HF激光远距离传输,在较短的谐振腔内产生大模体积的高质量激光束,开展了激光器正支虚共焦非稳腔的结构设计、仿真计算和实验研究。仿真结果表明,随着放大率M的增大,远场光斑中心亮斑包含的能量逐渐增大,能量向中心转移,远场光斑尺寸和远场发散角也随放大率M增大而减小。实验结果表明:随着放大率M的增大,远场光强分布、光斑尺寸和发散角变化规律与仿真结果一致,但输出激光能量以先增大后降低的规律变化。综合考虑高光束质量和高能量的指标要求,在流场正常工作情况下,当放大率M为3.0时,获得了远场发散角为2.37倍衍射极限和激光能量稍低于稳定腔（约为稳定腔激光能量的94.6%）的重频激光输出,满足激光远距离传输需求。     

高平均功率脉冲TEA CO2激光器输出光束质量评价

在远至３３ｍ处测量了高平均功率高重复频率ＴＥＡＣＯ２激光器输出光束光强的远场二维分布,用Ｍ２因子理论对光束质量进行了评价,获得了该激光束腰斑半径、远场发散角、Ｍ２因子等参数。     

CCD的非线性响应特性对光束质量测量的影响及修正

在利用电荷耦合器件CCD对激光光束质量测量的过程中,通过对比不同的激光波长,分析了CCD的光电响应非线性特性对光束质量M2因子评价的影响。由于对未进行线性标定的CCD所测得的四种不同波长的激光器的光束束宽值相对比较大,这会对激光光束质量的测量精度带来影响,因此提出了一种新的基于面阵型光电探测器的光电响应标定方法。搭建基于CCD测量法的激光光束质量测量系统,建立高斯型激光光束的近远场传输模型,对激光束在传输方向上不同位置处的焦散廓形进行多次采样,利用统计学方法得到CCD的光电响应线性区间。仿真和实验结果表明:利用CCD光电响应特性的标定结果对图像进行非线性灰度修正,对比国际标准激光光束质量分析仪,所测得的激光光束质量M2因子更加准确且相对误差降低了2.36%。提出的方法可有效提高激光光束质量M2因子的测量精度,对于评价激光光束质量具有重要的应用价值。     

聚焦参量对斯托克斯光远场发散角的影响

测量了准分子激光泵浦氢气产生一阶斯托克斯光的远场发散角。结果表明光束质量基本不随氢气压力变化，主要由泵浦光泵浦聚焦参量确定。