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。     

非圆对称光束M2因子矩阵的实验研究

M2因子的计算和测量与所采用的坐标系有关,所以对光斑为非圆对称的光束进行M2因子测量时,若选取的实验室坐标系不同或者是在非完全相同的实验条件下进行的测量,测量所得的M2因子并不唯一,这给实际应用中光束质量的评价带来了不便.为更方便地进行光束质量的评价,使得不同的实验室坐标系下测量所得M2因子统一,引入了两个交叉项来表征待测光束光斑主轴与实验室坐标系的位置关系,定义了M2因子矩阵.同时研究了M2因子矩阵的测量原理和方法,搭建了M2因子矩阵测试系统,实验研究了非圆对称光束的束宽以及M2因子随坐标系旋转的变化规律,测出了M2因子矩阵.     

非傍轴余弦-高斯光束的传输

从功率密度的二阶矩方法出发,对非傍轴余弦一高斯(CoG)光束的传输特性进行了系统的研究.结果表明,基于二阶矩定义的束宽在传输过程中满足简单的双曲线变化规律.非傍轴CoG光束的M2因子不仅与偏心参数α有关,而且还与f参数有关.在1/f足够小时,M2因子可小于1.当1/f→0时,远场发散角趋于渐近值63.435°.对于α=0(Ω0=0)的特例,非傍轴CoG光束的M2因子退化为非傍轴高斯光束的M2因子.     

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.     

一种基于散焦光栅的光束质量M2因子实时测量技术

设计出相位型正交散焦光栅,实现了一种新的光束质量M2因子实时测量技术。将散焦光栅和短焦透镜密接使用,透镜提供主要的聚焦能力,散焦光栅产生9个光轴,且在每个光轴上对焦距进行微调,使之具有不同的等效焦距,这样利用单一的CCD就可以在透镜焦平面上同时测量待测光束9个不同位置处的光强分布图样。利用二阶矩的方法计算束宽,经双曲线拟合得到光束的M2因子。对He-Ne激光器的输出光束进行了测量,得到其光束质量因子M2=5.775,与传统测量方法得到的结果相比,误差为5.1%。     

高能激光光束质量通用评价标准的探讨

激光光束质量评价是激光光学中的一个经典问题.目前国内外研究人员已经提出多种光束质量评价因子并加以利用,但是对于激光光束质量一直没有统一的评价标准和规范的测量方法.特别是近年来激光相干合成技术得到了迅猛发展,合成后光束质量的评价也缺乏统一的评价方案.本文对已有的各种光束质量因子进行简单评述,并引入光束传输因子(BPF)作为高能激光光束质量通用评价标准.详细介绍了BPF的物理本质与测量方法,并通过模拟计算对其用于评价单柬激光和相干合成光束的普适性进行分析.结果表明,BPF具有物理概念明晰、测量方便、通用性强等优势,适合于评价高能激光光束质量.     

激光束质量因子M2及其测量

激光束的质量因子M2是一种全新描述激光束质量的参数,能够定量地表征单模、多模光束的传播特性.描述了M2因子的概念和测量方法,利用面阵CCD探测器研制一套光束质量测量系统,对激光束质量因子M2进行测量,并给出测量结果的不确定度.     

一种改善激光器输出光束质量的新型谐振腔

由于横向抽运的DPSSL输出光束在两个垂直方向上有不同的发散角 ,把一对平行放置的柱透镜置于谐振腔内 ,形成一种可以改善激光器输出光束质量的新型谐振腔。利用 ABCD传输矩阵理论及等效G参数法计算了稳腔范围。从实验上测得横向上光束质量为M2x =1 2 31,而对于简单的平凹腔M2x =2 6 72 ,大大改善了DPSSL在横向上的光束质量因子     

双曲正割型光束在强非局域介质中的传输特性

运用变分法研究了1 1维双曲正割型光束在强非局域非线性介质中的传输特性,得到了光束各参量的近似演化方程以及束宽的近似演化规律和一个临界功率。当初始功率大于临界功率时,双曲正割型光束在强非局域非线性介质中传输时,束宽按雅可比椭圆正弦函数和椭圆余弦函数作周期性压缩变化;反之,当初始功率小于临界功率时,其束宽按雅可比椭圆正弦函数和椭圆余弦函数作周期性展宽变化;当初始功率等于临界功率时,可以近似得到双曲正割型空间孤子。在束宽远小于强非局域非线性介质响应函数的响应宽度(束宽比α<0.300)的前提下,得到的结果与数值解基本一致。     

高光束质量短脉宽电光腔倒空Nd:YLF激光器

采用国产光纤束模块端面脉冲泵浦Nd:YLF激光晶体和电光腔倒空技术,实现了短脉宽、高稳定性和高光束质量的1 053 nm激光输出.在不同重复频率1 Hz至200 Hz及不同泵浦注入条件下,获得了脉冲宽度稳定在4 ns左右的激光输出;当重复频率为1 Hz、单脉冲注入能量为7.94 mJ时.单脉冲输出能量为0.78 mJ,脉冲稳定性的RMS为1.9%;当重复频率为200 Hz、注入平均功率为3.1 W时,输出平均功率为240 mW,脉冲稳定性的P-P值小于±5.1%.通过小孔选模获得了光束质量因子M2x为1.02、M2y为1.03的高光束质量激光输出.     

超连续谱激光光束质量特性

作为一种新型激光光源,超连续谱光源由于具有白炽灯的光谱宽度和激光的亮度,成为目前研究的一个热点,但其光束质量的评价方法至今研究报道的较少,给应用带来了不便。分析比较了各种常用光束质量评价方法的优缺点,提出用测量典型波长光束质量,结合光谱特性及光束同轴性分析评价超连续谱光源光束质量的方法,并用此方法对一台超连续谱光源的光束质量进行了测量。结果表明,超连续谱光源的光束质量与泵浦光的功率密切相关,功率较小时M2 因子在1.5 以下,功率较大时M2维持在1.9 左右。另外,可见光部分光束质量M2因子在1.5 左右,且随着泵浦功率的提高,光束质量越变越好,维持在1.3 左右。     

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。     

光束质量稳健估计非线性拟合求解方法

激光光束质量M2因子在测量过程中,数据不可避免的存在随机和非随机两类误差,为了减小测量过程中受到误差的影响以提高系统的测量精度和稳定性,针对不同误差影响进行分析并提出相应的解决方法。在随机误差情况下,对传统双曲线拟合的正规方程组解法进行了改进并提出了加权拟合的正规方程组解法;而对于非随机误差情况,双曲线拟合尚未发现有效的解决方案,为此提出了基于稳健估计的双曲线拟合方法,并对此进行了深入的理论研究。实验表明,在数据存在非随机的情况下采用稳健估计的方法,可以克服非随机误差对参数估值产生的影响,使其拟合优度接近最优值,稳健估计的误差要比正规方程组的误差低一个数量级。因此,稳健估计可有效地提高测量M2因子的测量精度,对评价光束质量方面有着重要的应用价值。     

Beam quality of photonic-crystal fibers

In this paper, we investigate the beam quality of photonic-crystal fibers (PCFs) with one, three, and seven missing airholes. The beam quality factor M/sup 2/ of a PCF is generally larger than unity, even if it is single mode. The results are especially important for the design and measurements of single-mode PCF lasers. A comparison between an M/sup 2/ measurement of the laser beam and the reported numbers can establish whether a PCF laser is operating as single mode or is contaminated by higher order modes.     

面阵CCD激光束参量测量系统及其实验研究

采用面阵CCD探测器测量连续和脉冲激光器空间光束的技术，研制了一套高精度激光参量测量系统。测量了激光二极管连续抽运输出波长为1064nm的固体模式发生器产生的不同阶次厄米-高斯光束和脉宽10ns调Q灯抽运固体激光器的光束参量，分析对比了模式发生器输出光束的理论值和实验测量结果，证明了该系统测量精度优于5％，讨论了测量系统中各种因素对光束参量测量结果的影响。     

EEMGSM光束在各向异性湍流中的光束质量因子研究

为了探究矢量椭圆多高斯-谢尔模(EEMGSM)光束的传输特性, 基于广义惠更斯-菲涅耳原理和维格纳分布函数的二阶矩理论, 理论推导了EEMGSM光束在各向异性湍流中传输的质量因子解析表达式。通过数值计算和分析, 探究了初始偏振度、初始相干度、腰宽、波长和湍流结构常数等与质量因子的变化规律。结果表明, EEMGSM光束的质量因子随着阶数、波长和腰宽的增大而减小; 随着初始相干度和湍流结构常数的减小而减小; 在相同条件下, 具有大初始偏振度的EEMGSM光束的光束质量受各向异性的影响小于具有小初始偏振度的EEMGSM光束的光束质量; 且在相同条件下, EEMGSM光束的质量因子比标量椭圆高斯-谢尔模(EGSM)光束小, 即EEMGSM光束具有缓解各向异性湍流影响的优点。所得结论对于自由空间光通信的研究具有一定的理论参考价值。     

基于双色镜的2.3 kW光纤激光光束合成

基于双色镜的光谱合成技术可突破单个光纤激光器输出功率极限的限制，是获得高功率、高光束质量激光输出的有效技术手段。理论上，初步探究了参与合成的光束位置偏移及倾斜误差对合成光束质量的影响，结果表明光束倾斜误差对合成系统的输出特性影响显著。实验上，开展了两路窄线宽光纤激光器的合成实验，使用双色镜作为合成元件，获得了最大输出功率为2355 W的高光束质量共孔径合成输出，光束质量M2为1.9，合成效率大于99%，实验验证了双色镜在反射和透射情况下具有较高的效率。通过进一步提高单路光纤激光的输出功率或增加合成路数，可以实现更高功率和更好光束质量的共孔径激光输出。     

双侧对称抽运横流液体激光器的光束质量分析

为了提高横流液体激光器的光束质量,采用ANAYS软件分析了双侧抽运液体激光器的液体介质的温度分布,对不同流速条件下的非稳腔光场分布和光束质量M~2因子进行了数值计算。结果表明,存在一个使光束质量M~2因子较优的液体流速,并针对该类激光系统中增益和折射率梯度分布都关于抽运方向对称分布的特点,采用柱透镜补偿波前畸变效应,将光束质量因子由24降低到12.5,说明柱透镜补偿位相畸变能有效地提高液体输出光束质量。     

广义光束质量因子M~2

用形变量子力学中的形变测不准关系给出了广义光束质量因子Ｍ２，并用它简要分析了小型新光束ＣＯ２激光器的等效光束质量因子。