腔长变化对连续波腔衰荡技术测量的影响

为了阐明腔长变化对测量的影响,在考虑入射光源光谱线宽的情况下,采用腔衰荡法和多光束干涉等有关理论,就两种极限情况下腔长变化对连续波腔衰荡法测量的影响进行了分析和数值模拟,并据此讨论了一般情况下腔长变化给测量带来的影响。分析表明,腔长变化主要使衰荡腔谐振频率变得不稳定,从而使得衰荡腔出射光功率及其衰荡特征发生变化,进而给测量带来严重误差,这将为分析该技术测量误差来源以及提高其测量精度提供理论指导。     

连续波腔衰荡技术原理推导及实验研究

基于无源腔的Q值定义,根据能量守恒原理,对连续波腔衰荡技术测量原理进行了推导,并基于多光束干涉理论,就入射光关断时间对腔出射光强信号衰荡线形及测量结果的影响进行了数值模拟和分析,分析表明：入射光的关断时间很大程度上决定着腔出射光功率信号的衰减线形,如果要消除入射光关断时间对测量结果的影响,入射光关断必须小于腔衰荡时间的1%。根据理论分析要求建立了一套测量系统,并对腔损耗约为50ppm的低损无源腔进行了实际测量,实验结果的分析显示,该测量系统测量误差约为0．15ppm。     

用于连续波腔衰荡法测量的LD驱动电路设计

为了将半导体激光器应用于连续波腔衰荡法腔损耗测量,设计了半导体激光器的驱动电路.该电路由调制、驱动、温控等模块组成,在采用多光束干涉理论对连续波腔衰荡法测量原理进行分析和数值模拟的基础上,提出了驱动电路各模块的参数要求,对该电路各参数进行测试后,应用该电路建立了连续波腔衰荡法腔损耗测量系统,并进行了实验.经测试得知,在保证半导体激光器安全工作的前提下,该电路对于半导体激光器的关断时间约为60ns,对半导体激光器的温度控制精度优于0.01℃;对某单程腔损耗约为50×10-6的衰荡腔测试表明,腔损耗测量精度优于1%.结果表明,该电路达到理论设计要求,可应用于高精度腔损耗测量.     

腔镜面型对射频板条CO_2激光器输出模式的影响

采用非稳腔结构的激光器,当系统的菲涅耳数较大时,球面腔镜尺寸随之增大,尽管可以获得高输出功率,但由于不满足傍轴条件,球面腔镜的球差对输出模式的影响变大。采用Fox-Li迭代算法,分析了腔镜类型不同时谐振腔有效菲涅耳数为675的2 k W射频板条CO_2激光器的输出模式,并进行了实验研究。结果表明,当腔镜采用双球面镜时球差的影响显著,输出光束近似为球面波,输出平面上光束质量因子M!2=14.48,光束质量差,聚焦后光束偏离光轴,难以实现高功率、高光束质量的激光输出;当腔镜均采用抛物面镜时球差的影响得以消除,输出光束近似为平面波,此时输出平面上光束质量得到改善,M!2=3.96,实验结果与数值模拟结果一致。     

探测器的响应特性及对连续波腔衰荡技术测量的影响

对近红外探测器PDA400的响应特性进行了测试,并就探测器响应特性对连续波腔衰荡法腔损耗测量结果的影响进行了理论分析和实验研究.通过求得的探测器线性响应情况下的响应函数,推导出衰荡信号输入时探测器的输出信号线形,发现原本应呈单指数衰减的信号变为了双指数衰减.根据探测器响应时间的测试结果,针对PDA400探测器增益设置为20 dB,40 dB两种典型情况下的衰荡信号拟合进行了研究.提出了针对不同探测器增益设置(不同响应时间)时的衰荡信号数据处理方式,并进行实验验证,消弱了探测器响应特征对腔损耗测量结果的影响.最后就探测器非线性响应情况下的衰荡数据处理作了讨论.     

衰荡腔腔长失调的实验分析

光腔衰荡法是一种高反射率的测量技术.在腔长失调的情况下,根据高斯光束空间传输表达式和光腔衰荡法测量原理,建立了反射率测量的理论模型.利用模拟计算,得到了腔长失调对衰荡信号的影响.通过与实验现象相比较,证明了理论分析方法是合理的.     

宽谱连续波复合衰荡光腔技术测量高反射率

提出了一种连续波复合衰荡光腔(CRD)技术,可同时确定腔镜和待测镜高反射率,无需测量系统响应,提高了测量精度。以方波调制的连续激光耦合进衰荡腔,采用锁相方式探测衰荡信号一次谐波的振幅和相位。在数据处理中消除了系统响应的影响,由对应调制频率时直腔和折叠腔衰荡信号一次谐波的振幅比值和相位差值进行频域拟合,同时得到腔镜和待测平面镜的反射率。理论上推导了频域拟合函数。对100 cm共焦腔和110 cm稳定腔分别进行了直腔和折叠腔实验,最终确定腔镜反射率99.784%,待测平面镜反射率99.668%,测量精度达到10-5量级,与测量并消除系统响应后得到的反射率结果一致。     

衰荡腔失调下的波形仿真

在高反射率的精确测量中,光腔衰荡系统的腔失调直接影响着反射率测量结果的精度。根据光束传输变换规律和信号叠加方式,利用最小二乘法进行数据拟合,建立了腔失调对衰荡波形的影响模型。通过数值运算,模拟了不同腔长失调或腔镜倾斜下衰荡信号波形的变化情况。通过比较,与实验结果吻合较好。仿真结果表明,将示波器上的衰荡波形用于衰荡腔的精密调节中,可以提高测量精度。分析给出了衰荡光腔实验调节的两个判据:1)根据衰荡波形的峰值包络线的变化趋势来调节衰荡腔的腔长;2)根据衰荡波形中相邻奇、偶次脉冲幅值的大小对比调节衰荡光腔的腔镜角度。     

环型激光束空间传输的数值模拟

基于Maxwell方程组的经舆理论,对于腔的菲涅耳数不满足远远大于1的条件时的光束传播问题,利用衍射积分方程理论进行求解．根据菲涅耳-基尔霍夫衍射积分方程建立数值模型,采用matlab数值模拟的方法,对环型激光束传输方向的近场及远场强度的空间分布进行了分析．     

部分相干环形光束经透镜聚焦的焦移和焦开关

为了从理论上对部分相干环形光束被透镜聚焦后轴上点的光强分布以及焦移和焦开关现象进行研究,采用惠更斯-菲涅耳衍射积分方法进行了理论分析,取得了轴上点光强分布及焦移、焦开关现象的相关数据。结果表明,焦移量不仅依赖于环形光束外半径的菲涅耳数,还依赖于入射部分相干光的空间相干度和中心拦截比。菲涅耳数越大,焦移量越小;部分相干光的空间相干度越高,焦移量越小。菲涅耳数一定时,环形光束的中心拦截比越大,焦移越大。对于某一固定的空间相干度,随着菲涅耳数的降低会出现焦开关现象。这些结果对研究部分相干环形光束的聚焦性质是有帮助的。     

探测器孔径大小对衰荡腔测量精度的影响

为了研究光腔衰荡光谱法的反射率测量精度,分析了腔长失调对衰荡腔模式影响。在此基础上,根据高斯光束空间传输表达式,推导了在一定腔长失调条件下,探测器孔径与衰荡脉冲信号的关系式。并利用数值模拟,分析了衰荡腔测量精度与探测器孔径大小的关系。结果表明,探测器孔径越大,测量的相对误差越小。     

光腔衰荡法的单波长反射率测量实验研究

分析了反射率光腔衰荡法测量原理的近似条件,讨论了共焦腔的失调特性,计算了腔镜反射率对衰荡信号的影响。在此基础上,为减少OPO激光束的衍射损耗引入的测量误差,选择He-Ne激光作导引光,建立以共焦腔为衰荡腔的单波长反射率测量装置。利用直腔和折叠腔对腔镜和插入镜片的反射率进行了实验测量。直腔方式下测量的均方差小于6×10-6。分析表明,光腔衰荡法只适用于高反镜反射率的测量;在光路调节中采用具有对数变换功能的示波器,可以提高测量精度。     

3kW射频板条CO2激光器抛物面非稳波导腔研究

为了提高传统球面镜腔3kW射频板条CO2激光器光束质量,设计了新型抛物面镜负支非稳-波导混合腔;结合标量光束的瑞利-索末菲衍射理论与特征向量法,研究了大菲涅耳数下镜面类型对非稳波导混合腔光场传输特性的影响;利用矩形波导理论、1维近似分析得出了波导传输损耗及偏振情况。结果表明,将非稳方向输出镜和尾镜改为与光轴交点处曲率半径为R1=951.32mm和R2=1088.68mm的抛物镜面,能够避免尾镜漏光,可有效改善模式鉴别特性;常用波导电极镀膜材料中,镀铝电极内波导方向传输损耗最小,传输光场为x偏振的EH1模。采用电极镀铝的抛物面非稳波导腔能够降低损耗、提升光束质量。     

Coupling of power from a circular confocal laser with an output aperture

An iteration technique is used for a theoretical study of the field distributions and diffraction losses at the reflectors of an asymmetric confocal cylindrical resonator having an output hole in one mirror for the low-loss TEM00and TEM10modes with Fresnel numbers ofN = 0.8and 1.2. A digital computer is used to numerically iterate an initially launched uniform distribution as it reflects back and forth between the mirrors until a steady-state field distribution occurs. The edge and coupling hole diffraction losses and the power coupled from an output hole in one mirror are also computed. The presence of the coupling hole produces a perturbation of the field distribution with distortion of the field increasing for increasing Fresnel number and for low-order modes. The relationship between hole radius and power output is presented. An optimum-size coupling hole may be selected from this data, which will yield maximum power output in the mode of operation desired. It has been found that, with the use of a coupling hole, mode selection of the lowest order TEM00mode is possible for resonators having large Fresnel numbers (N > 1.0).     

衰荡光腔中腔镜倾斜分析

分析了衰荡腔中腔镜倾斜产生的腔长失调和单程损耗因子变化,根据失调腔矩阵分析方法并参照实验参数,建立了腔镜角度失调下反射率测量的理论模型.利用该模型,模拟了不同腔镜倾斜量下的衰荡信号波形,分析了波形变化的原因,研究了测量精度与腔镜倾斜量的关系.分析表明,腔镜微小倾斜产生的衍射损耗的变化可以忽略,但导致的腔长变化和衰荡光斑漂移,会限制测量的精度.将衰荡波形的变化用于腔镜角度的精确调节中,可以提高该测量精度.     

光纤弯曲对掺镱光纤激光器光束质量的影响

通过改变F-P腔全光纤激光器中的光纤盘绕半径,对输出激光光束质量进行了研究.搭建了百瓦级全光纤激光器.最大泵浦功率为436 W的条件下,获得了300 W波长1 080 nm的激光输出.光束质量M2=1.13.光-光转换效率为69%.理论分析并计算了20/400 m大模场面积双包层光纤中的两种导波模式LP01模和LP11模沿光纤径向的功率分布和弯曲损耗;利用光纤弯曲选模方法,实验上探究了光纤弯曲半径对输出激光模式及光束质量的影响.实验发现,通过光纤弯曲方式可以有效地消除高阶模式,再经过包层光剥除可以获得更好的光束质量M2=1.06.     

阵列菲涅耳波带片波前探测性能研究

在高功率激光系统中,激光束小尺度畸变波前探测是实现激光束中频段波前补偿与控制的重要前提。采用阵列菲涅耳波带片作为激光束波前传感的子孔径分割器,研究其聚焦性能,讨论了波带片的结构如阵列数目和阵列尺寸对波前探测精度的影响。仿真结果表明,选取合适的波带片结构参数可以使小尺度畸变波前的重构误差小于十分之一个波长。为了检测阵列菲涅耳波带片作为波前传感器检测波前畸变的性能,实现小尺度波前畸变检测的目的,构建了激光波前畸变检测光路系统。实验结果表明了阵列菲涅耳波带片检测波前畸变的可行性和准确性.     

Properties of an unstable confocal resonator CO2laser system

The results of an experimental and theoretical study of the properties of a confocal unstable resonator used with a conventional CO2-N2-He laser operating at 10.6 μ are presented. Measurements were made of the near- and far-field intensity distribution of the aligned resonator for Fresnel numbers of 3.7, 6.1, and 7.1. Fundamental mode operation was achieved in all cases. Beam steering and mode degradation associated with mirror misalignment were also studied experimentally. Suitable geometric models have been developed to account for 1) the sensitivity of the resonator output coupling and center far-field intensity to variations in the resonator length and mirror curvatures, and 2) the sensitivity of the beam direction and power to angular misalignment of the mirrors.