高阶平顶高斯光束阵列在自由空间中的相干合成

高阶平顶高斯光束在自由空间传输过程中,光强分布经历了三种状态:平顶高斯分布,平顶高斯中心凹陷分布,高斯型分布.通过对前两种状态相干合成光强分布特点进行模拟,研究了光束阵列结构、种子光束阶数、传输距离等因素对相干合成的影响,并用桶中功率对相干合成的光束质量进行了评价.结果表明:两种状态下相干合成都可以变为高斯光束,不过中心光强和光束半径的变化趋势不同.在一定条件下,阵列环上光束数量越多,相干合成光束的效果越好.     

光纤激光器高阶模式对相干合成特性影响分析

为了分析光纤激光器中高阶模式对相干合成的影响,采用将光纤激光器的基模以及高阶模式近似表示为拉盖尔-高斯光束的线性叠加的方法,利用拉盖尔-高斯光束的传输特性,得到了当光纤激光器的输出光束包含高阶模式时,激光器阵列相干合成的远场光强分布模型。同时以光纤激光器中输出混合模式为LP01和 LP11以及输出混合模式为LP01和LP02两种情况为例,分析了存在高阶模式的远场相干条纹的峰值功率和条纹对比度。结果表明,当光纤激光器中高阶模式为 LP11模时,远场相干条纹的峰值能量随着LP11模的增加线性下降;当光纤激光器中高阶模式为LP02模时,远场相干条纹的条纹对比度随着 LP02模的增加线性下降。     

部分相干cosh-Gaussian光束通过大气湍流后的聚焦特性

为了研究部分相干双曲余弦高斯光束通过大气湍流中传输后的聚焦特性,采用了ABCD矩阵光学的方法进行分析研究,取得了光强分布、束腰半径以及桶中功率的解析式,并用于描述部分相干双曲余弦高斯光束通过大气湍流的聚焦特性。结果表明,在不同湍流强度下,部分相干双曲余弦高斯光束和双曲余弦高斯光束在经过大气湍流后有不同的聚焦特性;使用桶中功率和束腰半径作为评价参量,大气湍流对完全相干双曲余弦高斯的影响更严重;大气湍流对聚焦部分相干双曲余弦高斯光束的影响要大于准直光束。该结果对部分相干光束聚焦特性的研究有一定的理论指导意义,对合成光束傍轴聚焦系统的设计有工程指导意义。     

光纤激光相干合成中倾斜和锁相同时控制的实验研究

光纤激光的相干合成是获得高能量密度、高光束质量激光输出的有效方法之一。在相干合成中,各个单元光束的倾斜波前畸变和活塞相位误差对合成的效果具有重要影响。搭建了两路光纤激光相干合成系统,利用光纤自适应准直器和相位调制器对相干合成中倾斜波前畸变和活塞相位误差进行校正。实验系统以高速相机采集的光斑数据作为评价依据,通过计算机程序进行控制,控制算法为随机并行梯度下降算法。在倾斜和锁相控制前,合成光斑的条纹对比度为0.03,桶中功率为8.03;在倾斜和锁相控制后,合成光斑的条纹对比度达到了0.59,桶中功率达到了32.89,说明实验中倾斜和锁相控制显著提高了相干合成的效果。     

随机并行梯度下降自适应光学对主振荡功率放大器激光系统的光束净化实验

主振荡功率放大器(MOPA)固体激光系统中的功率放大器会将热致波前畸变引入到被放大的激光束中,造成输出光束质量变差,可以通过自适应光学(AO)系统实时补偿光束的波前畸变以改善光束质量.采用随机并行梯度下降(SPGD)算法控制一个37单元变形镜,通过光电探测器测量远场光斑的桶中功率作为评价光束质量的判据,建立了一个迭代速率为100 Hz的最优化自适应光学系统,对由Nd:YAG主振荡器与Nd:YAG功率放大器组成的MOPA激光系统在不同抽运电流情况下的输出光束进行了净化实验.结果显示,净化后光束质量都得到了提高,甚至β因子大于9的光束在净化后其β因子也减小了58%,表明基于随机并行梯度下降算法的自适应光学方法确实可以用于光束净化.     

平顶高斯光束相干合成在大气湍流中的传输

光束合成是将多个激光器的输出光束在远场叠加起来,从而实现高功率、高光束质量的激光输出,因此在遥感、跟踪、远距离光通信等领域中具有广泛的应用前景.研究了一维线阵平顶高斯光束的相干合成在大气湍流中的远场传输特性及能量集中度,推导出合成光束的光强传输及桶中功率、二阶矩束宽解析式.研究表明,合成光束随着传输距离的增加,最终演化...     

光纤激光相干合成中倾斜波前控制的研究进展

相干合成是获得高功率、高光束质量激光输出的有效方法之一。在光纤激光相干合成中,各路激光的活塞相差、倾斜波前和光束拼接方式直接影响合成光束的质量。各个单元光束波前的倾斜误差对合成的效果有重要影响,因而倾斜波前控制具有重要的意义。详细介绍了液晶空间光调制器、高速倾斜镜和光纤自适应准直器等常用的倾斜控制器件,对比目前用于倾斜波前控制的不同方案,分析了各方案的优缺点。并对光纤激光相干合成中倾斜波前主动控制的发展进行了总结和展望。     

畸变光束远场光强叠加特性研究

在远场将阵列激光的光强进行叠加是获取高功率激光输出的一种有效方法,由于激光在传输过程中会产生波前相位畸变,进而导致远场光强分布不匀滑。基于惠更斯-菲涅耳原理,建立了多束具有随机相位畸变的二维矩形阵列高斯光束非相干合成模型。模拟了光强合成过程远场焦斑的质量变化,计算了远场焦斑RMS和PSD与合成光束数量之间的关系。结果表明:光束非相干合成不仅能够有效提高激光的输出功率,还可以使畸变光束合成后的焦斑分布更加匀滑,提高光束的质量。     

基于偏振锁相的双光束相干合成

多路光束的相干合成是获得高功率、高亮度激光输出的有效途径.实验采用一种新型的偏振锁相技术,实现了对偏振方向相互垂直的两路光束的相位锁定和相干合成.研究表明该偏振锁相装置可将两束光的相位差锁定于0～2π之间的任意值且在较大振幅比情况下仍可获得大于90%的合束效率,是一种可定标放大的相干合成技术.     

光纤激光相干合成与非相干合成的比较

对多路光纤激光输出光束进行合成是获得高功率、高光束质量的输出的有效方法.为了比较不同合成方案的远场效果,对聚焦发射的相干合成和非相干合成光束远场分布进行数值计算,从控制相位误差、光束抖动和阵列占空比等三方面对这两种方案的远场特性进行比较研究.计算结果表明,与非相干合成相比,相干合成能够在远场获得更高的能量集中度,但会受到光束抖动和阵列占空比的严重影响.和通常考虑的平行发射相比,聚焦发射体制对相干合成时相位误差的要求宽松了很多,相位误差均方根(RMS)为π/3时,半径为5.6 cm的圆桶内汇聚的能量仍大于完全相干合成情形下的90%.     

高阶椭圆高斯光束及其传输特性

采用张量方法定义了高阶椭圆高斯光束。偶数阶椭圆高斯光束可展开成厄密-高斯光束的相干叠加形式；奇数阶椭圆高斯光束可展开成厄密-高斯光束的非相干叠加形式。通过矢量积分导出了高阶椭圆光束经过非轴对称光学系统的传输公式。这个公式在零阶情况下可退化为椭圆高斯光束的传输公式。在一维情况下可退化为厄米-高斯光束经过轴对称光学系统的传输公式，进而计算了高阶椭圆光束在自由空间中的传输特性。结果表明，高阶椭圆光束的传输性不同于厄密-高斯光束和拉盖尔-高斯光束，其光强分布在传输过程中会发生旋转。     

平面波前畸变量对激光相干合成效率的影响（特邀）

激光相干合成技术是在遥感和通信等领域中能够同时提升激光功率和保持光束质量的有效技术。其中填充因子是影响激光相干合成和衡量相干合成阵列的重要因素。然而,它却不是完备的。因此,提出采用平面波前畸变量（PWD）作为评估激光相干合成性能的综合参数,该参数综合考虑了光束质量、阵列对准、元件制造误差以及其他因素。通过理论推导平面波前畸变量的表达式,分析该参数对系统合成效率的影响,进一步的仿真和实验测量结果表明,平面波前畸变量可以用于反映激光相干合成的综合效率高低,与桶中功率呈负相关。研究结果表明波阵面调制相干光束组合技术在多孔径激光阵列相干组合系统的实际应用中具有潜在的科学价值。     

光纤激光非相干合成效果分析

为了研究光纤激光的非相干合成特性, 建立了圆环状排布的光纤激光阵列光束合成模型, 模拟分析了单元光束束腰半径w₀、波前畸变和光束间距对非相干及相干合成远场光束质量的影响。讨论了多路激光平行性对非相干合成效果的影响, 并进行了相关实验验证。结果表明, 单元光束无波前畸变时, 当光束间距为d₀=2.8w₀时, 非相干与相干合成光束质量相等; 单元光束存在波前畸变时, 光束间距有所减小, 这是因为波前畸变对非相干合成影响更小; 对于非相干合成, 随着多路激光之间不平行度的增大, 非相干合成光束质量逐渐变差, 并且单元光束质量越好, 对多路激光平行性要求越高。该研究可为实际光纤激光合成系统设计分析提供参考。     

双光束光纤激光器相干合成仿真及实验研究

为了研究光纤激光器相干合成,采用光纤激光的相干合成数学模型仿真了双光束光纤激光相干合成的方法,模拟仿真了各类因素条件下高斯光束相干合成的功率分布,分析了不同参量条件下对合成效果的影响,并针对部分仿真结果进行了实验研究。结果表明,双光纤激光空间距离为0mm,光束夹角为0°,偏振方向完全一致时,则相干合成效果最好。     

大指向误差下的两路自适应光纤准直器200W非相干合成实验

大功率光纤激光光束合成系统中,由装调误差、热形变效应等引起的光束大指向误差会影响合成效果,并可能对光束合成系统造成严重危害。搭建了2路百瓦量级自适应光纤准直器的光束指向操控实验平台,分别利用基于可变桶中功率评价函数和基于合成光束发散角评价函数的随机并行梯度下降控制策略校正了合成光束间的大指向误差,实现了功率200 W的非相干合成,为大指向误差下的大功率光纤激光合成提供了参考。     

光束的几何排布对多重径向阵列光束传输特性的影响

研究了阵列几何排布对多重径向阵列相干和非相干合成光束桶中功率（PIB）的影响。在较小的桶内阵列相干合成光束的PIB值随P增大而增大;非相干合成光束的PIB值与几何排布无关。     

部分相干高斯-谢尔光束在大气湍流中的平均强度与展宽

基于广义惠更斯-菲涅耳原理,交叉密度函数以及Rytov’s相位结构函数二次近似,利用傅里叶高斯变换推导出部分相干高斯-谢尔光束在大气湍流中的强度分布表达式,并在此基础上分析了大气湍流对角展宽、桶中功率以及光束漂移的影响。数值结果表明：角展宽和光束漂移与光束的初始半径、光源的相干长度有关;远场能量集中度随湍流强度增加、光源相干宽度减小而减小。     

部分相干平顶光束序列在湍流大气中传输特性

为了研究部分相干平顶光束序列在湍流中的传输特性,采用扩展Huygens-Fresnel原理,得到了相应的解析表达式,并运用MATHEMATICA进行了相应的数值模拟。结果表明,湍流一定时,相干长度越小,变成高斯光束的趋势越快;光束阶数越大、相干长度越小,部分相干平顶光束序列的相对束腰宽度扩散较快;相干长度越小、光束阶数越大,部分相干平顶光束序列的斯特列尔比受湍流影响越小;在远场中,当阶数改变,桶半宽度小于4倍光束的束腰宽度时,平顶光束序列的光束阶数相对高,桶中功率相对大,桶半宽度大于4倍光束的束腰宽度时,平顶光束序列的光束阶数相对高,桶中功率相对小;当光束的相干长度改变时,桶半宽度小于4倍光束的束腰宽度时,平顶光束序列的相干长度σ越小,桶中功率越大,桶半宽度大于4倍光束的束腰宽度时,相干长度σ越大,桶中功率越大。这些结果对激光在通信方面具有一定的实际应用。     

光纤激光相干合成与谱合成的比较

相干合成和谱合成是两种不同的光束合成方案,近年来均取得了显著进展.为了比较系统地研究这两种新兴的光束合成技术,从光纤激光器的基本要求、关键技术、可扩展性、光束质量、系统稳定性和光束控制等6个方面,对目前已经获得高功率且有望获得更高功率输出的两种典型方案进行了比较研究.结果表明,基于主振荡功率放大器结构的相干合成方案和谱合成方案均难以同时获得高功率、高光束质量的激光输出.对于不同的应用场合,需要在高功率和高光束质量中选择较好的平衡点.     

基于多路窄线宽光纤激光的9.6kW共孔径光谱合成光源

理论和实验研究了一种基于双多层电介质膜(MLD)光栅色散补偿构型设计的光谱合成激光器,该激光器既实现了多路光纤激光高光束质量共孔径光谱合成输出,也降低了单路光纤激光的线宽要求。优化了该激光器的光束质量退化分析模型,分析了激光波长、光栅色散和光谱结构对光谱合成输出光束质量的影响,实验研究了不同功率水平下的光谱合成输出光束质量变化特性,获得了最大输出功率为9.6kW的高光束质量共孔径合成输出,光束质量M2为2.9,合成效率达到92.0%。通过进一步压缩每路光纤激光的线宽并提升其功率或增加合成路数,可以获得更高功率和更高光束质量水平的共孔径激光输出。