脉冲CO2激光水下致声声脉冲特性的实验研究

以分析水中的光声信号的特点为目的,采用实验的方法利用压电陶瓷球形水听器、数字存储示波器,对TEACO2脉冲激光在水中激发声波的幅度、频率等特性进行了测量,并用信号分析软件进行分析和处理。结果表明,TEACO2脉冲激光在水中产生的声信号幅度随脉冲能量增加而增大。实验中首次发现,激光声频率在100kHz以内有31kHz和62kHz两个峰值,且该两频率峰值随激光脉冲宽度增加而减小。光声信号的以上特性表明,可以通过调节激光脉冲的能量和宽度,选择或控制应用于水声通信、水下资源探测等技术的光声信号。     

激光激发源对声表面波的影响

利用激光激发声表面波及光差分技术研究激光源对声表面波的影响。实验中利用了Nd∶YAG脉冲激光器激发超声,采用632nm的He-Ne激光器基于光束偏转法的光差分检测系统,测量了铝样品表面的声表面波,获得了很好的信号。在此基础上研究了激发源的形状和能量对激发的声表面波幅度的影响。同时从热弹和融蚀机制下讨论激光声表面波的产生。在这两种机制下,声表面波的幅度发生了很大的变化。随着激光能量密度的增加,声表面波的幅度由线性变化转换为非线性变化。这一结果对激光激发声表面波理论研究有一定的指导意义。     

三角波形激光脉冲在液体中致声的特性分析

为了研究激光脉冲波形对其在液体中致声特性的影响,基于激光致声的热膨胀机制机理,采用理论推导和数值仿真的方法,对三角波形激光脉冲激发声波的特性进行了分析。首先阐述了激光与液体媒质通过热膨胀机制作用激发平面光声源的理论;推导了激光脉冲为三角波形时在约束边界和自由边界下产生声脉冲的解析解,并通过仿真得到了声脉冲剖面;然后通过模拟得到了不同边界下激发光声脉冲的波形;最后分别推导了约束边界和自由边界下的光声转换效率,分析了转换效率的影响因素,并对不同边界下的转换效率进行了求解和对比。结果表明,该研究对激光致声技术的工程应用具有理论指导意义。     

激光在液体中的声效应研究

以研究液体中激光声波的特点与应用为目的,从理论上分析脉冲激光在液体中产生的声波的波阵面、光声脉冲波形的特点,并用实验的方法观察脉冲CO2 激光光声脉冲的波形、频谱特性及光击穿现象。结果表明光声波的波阵面与吸收激光能量的媒质的形状有关;光声波的波形随激发机制而变化; CO2 脉冲激光在水中通过热膨胀机制激发的声波能量主要分布在100kHz以下,光击穿时水面可以观察到微爆炸和亮光现象。可以通过液体中光声效应现象和 光声信号波形的变化判断其激发机制,并确定液体的汽化与光击穿阈值,控制激发过程以获得确定特性的光声信号。     

板状材料中脉冲激光激发超声导波的数值分析

利用有限元法(FEM)对板状金属材料中脉冲激光激发的超声导波进行了理论研究。在考虑热弹激发的条件下,利用三维轴对称的有限元模型,计算了相同能量的分别具有不同聚焦半径以及脉冲宽度的脉冲激光光源直接作用于Al板表面激发出的声表面波信号的时域特征,并利用Wigner-Ville分布的时频分析工具得到了信号能量在频域上的分布特征。研究结果表明,激光单脉冲能量不变的情况下,超声导波信号的峰值幅度随着脉冲激光的聚焦半径的减小而逐渐增大;同时缩小聚焦半径也可以提高超声导波的频带宽度;然而脉冲宽度的变化却没有引起超声信号在时域及频域特征上的明显变化。     

提高液体中脉冲激光致声转换效率的理论研究

从液体中脉冲激光致声的理论出发,讨论了热膨胀机制下提高光声转换效率的措施,并着重讨论了不同液体媒质的特性对转换效率的影响;基于Helmholtz共振器的共振频率和放大特性理论,讨论了通过共振光声池的设计提高光声转换效率的可行性;指出在对光致声波可重复性和可控制性没有特殊要求的情况下,可采用高功率光纤激光器,通过汽化机制或介电击穿机制激发声波,提高转换效率.     

激光诱导声信号通信技术的初步研究

构建了激光声实验测量系统,利用脉冲激光聚焦击穿水介质产生声信号,由水听器将声信号转换成电信号并送入数字存储示波器.分析了激光声信号的时频域数学模型,通过实验对单个激光声信号的时频域特征进行了研究,对激光声通信的信号调制方式进行了理论分析和实验验证.研究结果表明:激光声信号的脉宽约为20s,其能量主要集中在200 kHz内,这其中100~200 kHz内的能量占到的比例大约有50%,通过对激光声信号进行幅度调制和频率调制,可以有效实现激光声通信过程.     

激光脉冲波形对液体中热膨胀机制致声特性的影响

首先阐述了激光与液体媒质作用通过热膨胀机制激发平面光声源的理论;分别针对激光脉冲为正弦波形、三角波形和高斯波形的情况,推导了激光脉冲分别在约束界面和自由界面下产生声脉冲的解析解,然后通过仿真得到了激发声波的光声脉冲剖面和时空分布图;并对比分析了正弦波形、三角波形和高斯波形的激光脉冲分别在约束边界和自由边界下激发声波的峰值声压、光声转换效率和波形等特性.     

一种新的改善激光声信号特性的方法

为了改善激光声信号的特性,设计了激光声换能器。对换能器的设计原理和结构进行了说明。构建了激光声实验系统,利用脉冲激光分别在自由场和换能器内部聚焦击穿水介质产生声信号,由水听器将声信号转换成电信号并送入数字存储示波器。对两种条件下产生的激光声信号特性进行了比较。结果表明:同自由场产生的激光声信号相比,利用换能器产生的激光声信号特性有了一定程度的改善。其中,信号峰值幅度提高了3 倍,能量向60 kHz 以下频段集中,1m处发散角压缩到13.2,衰减速度变慢。     

一种跨介质的空中-水下激光致声探测技术研究

跨空水介质间的探测技术是世界主要海洋国家的热点研究问题。为研究空中平台与水下的激光致声探测技术,文中在光击穿机制下采用纳秒脉冲激光与水听器之间的光声信号转换来进行空-水跨介质探测模拟实验研究及验证工作。搭建了激光致声空气-水下实验测试系统,采集了激光声扫描探测数据,对典型实验数据在时域内进行分析得出了激光激励声波的传播特性,根据时间互易原理实现了水下激光声信号的三维探测成像。利用有限元法进行激光在水下激发声波及传播的数值仿真,据此对实验进行了验证。此外,从仿真中发现通过提高脉冲能量至2.8×1010 W/cm2所激励的声波在传播400 m后仍能观测出明显的信号,信噪比约为11.3 dB,证明了百米级传输及探测的可能性。此研究结果为采用激光致声技术进行跨空-水介质探测提供了依据。     

电光调Q 1064nm/532nm脉冲激光器

报道了一种用于产生THz波的电光调Q脉冲激光器,重复频率为1Hz、10Hz,输出1064nm、532nm可方便转换.当腔长310mm,输入能量为16J时,输出的1064nm调Q脉冲能量210mJ,电光转换效率1.3%,平均脉宽13ns,532nm脉冲能量110mJ,倍频效率50%,脉宽9~12ns.并对实验结果进行了分析和讨论.     

啁啾补偿飞秒脉冲高效三次谐波产生

中心波长为800 nm、脉宽为60 fs、重复频率为10 Hz的飞秒激光分为强弱两束,能量较强一束经I类相位匹配的BBO晶体倍频,之后与另一束光非共线和频得到三次谐波输出.实验得出基频和倍频光能量达到最佳配比时,三次谐波的转换效率最大;系统输出激光携带一定负啁啾可以补偿色散,提高三次谐波的转换效率.最终,当基频和倍频光的能量分别为2.38 mJ和0.588 mJ,系统输出激光带有9.66×10<'3> fs<'2>的负啁啾时,得到了中心波长为267 nm、单脉冲能量为230μJ的三次谐波输出,其转换效率高达19%.     

192W的1319nm Nd:YAG激光器

采用国产激光二极管泵浦Nd:YAG晶体,双聚光腔串联,对称直通腔型结构,在LD总泵浦功率1220W时,实现1319nm连续激光输出192W.采用声光调Q,10kHz下,获得调Q输出平均功率155W,脉冲宽度205ns,光-光转换效率达15.7%.     

Tm:YAP激光抽运ZGP晶体光参量振荡器

简要分析了掺铥铝酸钇(Tm:YAP)晶体的能级结构及吸收光谱特性和磷化锗锌(ZGP)晶体的相位匹配特性,报道了一种在室温条件下工作的中红外光参量振荡器(OPO)。激光器输出的波长为3.88、4.00、4.14μm,在脉冲频率为10kHz时,最大输出功率为7.16W,OPO抽运源到中波输出激光的光-光转换效率为49.4%、斜率效率为48.9%。激光单脉冲宽度为81.47ns,单脉冲能量为0.71mJ,单脉冲峰值功率为8.78kW,光束质量M2在X方向为3.8,Y方向为4.0。     

激光二极管抽运的自拉曼Nd∶YVO_4激光器

研究了激光二极管(LD)抽运的自拉曼Nd∶YVO4调Q激光器的特性。Nd∶YVO4晶体同时作为激光介质和拉曼晶体,通过声光调Q技术,产生了1176 nm的拉曼激光。测量了平均输出功率、脉冲宽度和单脉冲能量随抽运功率和脉冲重复率的变化。典型的1064 nm基频光和1176 nm拉曼光脉冲的脉冲宽度分别为26.3 ns和9.0 ns。在脉冲重复率为20 kHz,抽运功率为8.46 W时,产生了平均功率为0.384 W的1176 nm光的输出,光-光转换效率为4.54%。使用速率方程对自拉曼Nd∶YVO4调Q激光器特性进行了理论研究,把脉冲重复率为10 kHz,20 kHz,30 kHz时拉曼光单脉冲能量和脉冲宽度的实验值与理论值进行了比较,结果基本相符。     

激光二极管抽运声光调Q高重复频率473nm激光器

实现了重复频率高达100kHz,紧凑的全固态激光二极管抽运的声光调Q473nm腔内倍频蓝光激光器。使用5mm长的Nd∶YAG作为激光介质,倍频采用了10mm长的I类非临界匹配LBO晶体,激光器外形尺寸为11cm×6cm×3cm。使用2W的激光二极管抽运,20kHz重复频率下,得到平均功率为64.8mW的473nm稳定输出,总光光转换效率为3.2%。在1kHz重复频率下,得到脉冲宽度为23ns,峰值功率接近700W,单脉冲能量达到16μJ的稳定的473nm激光脉冲。推导了准三能级系统的储能公式。此公式与以前的结果不同,认为有效储能时间不等于上能级寿命。通过实验结果的分析验证了这个结论。     

High Efficient, Intense and Compact Pulsed D2O Terahertz Laser Pumped With a TEA CO2 Laser

A high efficient, intense and compact pulsed D₂O terahertz laser is presented, which is pumped by a multi-transverse mode TEA CO₂ laser. For D₂O gas as the active medium, with the cavity length of 120 cm, pulse energy of the THz laser has been investigated as the variation of pump energy and gas pressure. When the pump energy was 1.41 J, the maximum single pulse energy of 6.2 mJ was achieved at the wavelength of 385 μm. Photon conversion efficiency as high as 36.5% was obtained when laser operated at the maximum output energy. As the pump energy was raised from 0.57 to 1.41 J, the optimum pressure was slightly changed from 400 to 700 Pa. The THz pulse consisted of a spike pulse with pulse width of 120 ns and a tail pulse with pulse width of about 170 ns. The peak power of the spike pulse is about 44.3 kW. Comparing with the occurring time and pulse width of pump pulse, 70 ns delay and 10ns broadening were observed in the THz spike pulse.     

飞秒激光刻蚀增强非晶硅薄膜太阳电池性能的研究

通过恒速移动线偏振飞秒激光焦点对非晶硅(a-Si) pin型薄膜太阳电池n型硅膜表面进行绒化刻蚀处理,形成不同周期间隔“凹槽”状结构.采用扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射仪(XRD)对刻蚀后薄膜表面形貌进行了表征,证实了刻蚀区域表面能够诱导晶态多孔微结构形成.比较了飞秒激光刻蚀前后a-Si太阳电池的光电转换效率(η)、开路电压、短路电流密度和填充因子.结果表明,当飞秒激光脉冲能量为0.75 J/cm2、刻蚀周期间隔为15μm时,太阳电池光电转换效率达到14.9％,是未经过激光刻蚀处理电池光电转换效率的1.87倍.同时,反射吸收谱表明,电池表面多孔“光俘获”微结构的形成对其光电转换效率的提高起到了关键作用.     

激光二极管抽运Tm:YAP晶体实验研究

简要阐述2 μm激光光源的广泛应用需求,分析掺铥铝酸钇(Tm:YAP)晶体的能级结构和吸收光谱特性,报道了采用激光二极管(LD)端面抽运Tm:YAP晶体的方式,实现室温下2 μm激光的高效输出。在激光二极管输出功率为19 W时, 2 μm连续激光输出功率为6.5 W,光光转换效率达34％,斜率效率为47.5％。经过声光(AO)Q开关进行调制后,在重复频率10 kHz下,获得5.4 W的动态激光输出,激光单脉冲宽度为70 ns,激光二极管输出功率到2 μm激光动态输出功率的转换效率为28％,斜率效率为42％。通过实验验证了激光二极管端面抽运Tm:YAP晶体在室温下高效输出的特性。