时域控制精度对多脉冲叠加效果的影响

为了克服大口径激光系统目前面临的困难,提出使用多束中小口径激光在靶面实现能量叠加的方式。为满足靶面辐照均匀性与对称性的要求,对多束激光的同步控制精度及脉宽控制精度对叠加光束的影响进行分析。研究表明,多脉冲辐照的同步性会影响靶面中心辐照的能量分布。当单束脉冲延时大于等于两倍脉宽时,靶面中心光强峰值将降至75%,两束脉冲延时大于等于两倍脉宽时,靶面中心光强峰值将降至50%。当一个光束的脉宽增加到其他参与叠加的光束的两倍时,靶面中心光强峰值将降至理想叠加情况的87.5%。     

中心波长及脉宽对能量叠加光束远场的影响

多束激光的远场叠加对于提高远场靶面能量是一种有效的方法,单元光束的参数的变化对于远场合成光束都会产生影响。为了分析脉冲激光参数控制对远场能量分布的影响,利用夫琅禾费衍射积分公式导出了4束普通脉冲高斯光束合成的远场光强的解析式,并整理了激光中心波长和脉宽的改变对远场叠加后能量分布的影响之间的具体关系。通过MATLAB的数值模拟,结果表明:当光束的中心波长减小或者脉冲宽度减小时,远场能量向中心轴上汇聚,远场轴上光强增加。当轴上光强相对于理想中心波长和脉宽的远场轴上光强的变化率小于5%,中心波长变化率最大不能超过7.89%,或者脉宽变化率最大不能超过91%,因此,中心波长的变化对于远场光强分布的影响比脉宽更大。     

超短啁啾高斯脉冲叠加光束的空间异常特性分析

以ICF系统应用为背景，建立了四束超短啁啾高斯脉冲远场能量叠加分析模型，分别对单束及多束超短啁啾高斯脉冲的空间异常特性进行了数值模拟和分析。结果表明:脉宽是影响超短啁啾高斯脉冲叠加光束产生空间异常现象的主要因素。在利用指数函数复振幅包络的解析式进行分析时，使用脉宽小于1个光振荡周期的超短啁啾高斯脉冲进行叠加应控制参数在合理的范围内，r1w0时可有效避免空间异常现象。     

光纤激光器空间相干合束远场特性分析

基于Fraunhofer标量衍射理论,计算了按圆周形排列的6束光纤激光相干合束的远场光强分布,并对其能量集中程度进行了讨论。分析表明合成光束的远场光强分布可等效于若干平面波干涉结果与单束衍射包络之积,当单元激光器所排列的圆周直径在5倍单元激光束腰宽度以下的时候,合成光束将有超过90%的能量落在单元光束的86.5%能量圆以内。结论指出适当选择单元激光器的排列间距可以控制能量的集中程度,甚至使合成光束的能量集中度优于原单元激光器产生的高斯光束。     

单光束叠加脉冲Nd:YAG激光器的研究

在使用叠加脉冲方式进行激光打孔时,为了在一台激光器上实现大能量的长脉冲与高峰值的短脉冲激光叠加输出,采用同一工作物质不同增益区域来分别获得两种特性的脉冲激光同轴叠加输出的方法、在单台激光器上获得了两种脉冲激光的叠加输出。结果表明,在双氙灯脉冲抽运Nd:YAG激光器中,腔长840mm、使用双平-平腔结构、工作物质长度150mm的情况下,采用高电阻率的磷酸钛氧钾电光Q开关对中心光束进行调Q,得到了脉宽10ms的长脉冲与63ns窄脉宽脉冲序列的稳定叠加脉冲输出,在抽运频率9Hz的情况下,最高得到了93.4W的平均功率,叠加脉冲包络能量10.4J,峰值功率46.7kW。此结果说明输出的叠加脉冲激光可以很好地满足激光打孔的需求。     

脉冲激光的非相干合成技术研究

为了实现高功率、高光束质量的激光输出,采用脉冲激光同步延时控制技术,将多束脉冲激光按时序合成一束脉冲激光,可用于产生大功率激光源。利用所设计的激光脉冲同步延时控制器,控制各个激光脉冲的时序,使按时序输出的多路激光脉冲依次通过光束合成装置,在空间合成为一束。在实验中将3束脉冲激光束合成,合成效率达到95.8%。结果表明,合束后的脉冲激光功率基本等于各束光相加的总和,同时保持了较好的光束质量。     

脉冲激光大气传输热晕数值分析

由于大气通道上介质对激光能量的吸收,改变了大气折射率,形成自散焦负透镜,从而产生热晕。热晕使激光发生畸变,限制了激光能量在大气中的有效传输。以准直高斯光束为例,模拟单脉冲和序列脉冲激光大气传输,对均匀风场和无风两种情况下激光在不同靶程光束截面的光强分布进行了数值分析。结果表明：长脉冲比短脉冲受到非线性热晕效应影响大;序列脉冲存在一个最优化脉冲间隔,使上靶光强存在20%~30%的涨幅。最后,在没有采用自适应光学系统对畸变进行补偿的情况下,提出了采用脉冲间隔适当的序列短脉冲传输来提高激光传输能量的方法。     

1064nm激光诱导等离子体开关控制355nm脉宽可调输出

为得到脉宽可控的355nm紫外脉冲激光输出,采用1064nm脉冲激光诱导等离子体开关技术,控制355nm激光脉冲宽度,在激光电离Cu小孔内壁表面及空气击穿共同作用下,获得了2.8ns～10ns的脉宽可调输出。讨论了1064nm单脉冲输出能量对脉宽压缩的影响,在无延时情况下得到了脉宽最短达2.8ns的脉冲激光输出。在此基础上,保持1064nm单脉冲输出能量不变,采用延时装置改变两光路间的光程差,以控制等离子体开关相对于355nm激光脉冲的形成时间,最终得到脉宽可调的脉冲激光输出。结果表明,等离子体开关结构简单、操作方便、适用范围广,是一种较好的脉冲整形手段。     

1064nm激光诱导等离子体开关控制355nm脉宽可调输出

为得到脉宽可控的355nm紫外脉冲激光输出,采用1064nm脉冲激光诱导等离子体开关技术,控制355nm激光脉冲宽度,在激光电离Cu小孔内壁表面及空气击穿共同作用下,获得了2.8ns～10ns的脉宽可调输出.讨论了1064nm单脉冲输出能量对脉宽压缩的影响,在无延时情况下得到了脉宽最短达2.8ns的脉冲激光输出.在此基础上,保持1064nm单脉冲输出能量不变,采用延时装置改变两光路间的光程差,以控制等离子体开关相对于355nm激光脉冲的形成时间,最终得到脉宽可调的脉冲激光输出.结果表明,等离子体开关结构简单、操作方便、适用范围广,是一种较好的脉冲整形手段.     

准直脉冲激光大气传输热晕数值分析

大气通道上介质对激光部分能量的吸收,导致大气折射率的改变,形成自散焦负透镜,产生热晕．使激光发生畸变,限制了激光能量在大气中的有效传输．以准直脉冲高斯激光束大气传输为例,数值分析了热晕对由光束的声传递时间（即流体动力学时间）定义的两种脉冲长、短脉冲大气传输的影响：长脉冲受到非线性热晕效应影响很大,光束截面上光强发生了重新分布,轴上光强凹陷,峰值光强向周围扩展;短脉冲主要受到线性吸收的作用,受到的非线性热晕效应影响很小．提出了采用脉冲间隔适当的序列短脉冲传输来提高激光传输能量的方法．     

抽运染料激光主振荡-功率放大链的固体激光脉冲时序控制

对于多台固体激光器抽运的脉冲染料激光主振荡-功率放大(MOPA)链,在放大器中,抽运激光与染料种子激光不仅在空间上要求匹配,而且激光脉冲在时间上也要求匹配。为此,提出了进行激光脉冲时序的控制方法。该方法采用光纤、光开关和随机重复采样等技术实现快速激光脉冲的计算机数据采集。根据实验,抽运和染料激光脉冲的时间匹配最好时,它们的峰值几乎是重合的,由此提出以脉冲峰值处作为延迟时间的测量点来排除脉宽变化的影响,以及采用二次多项式曲线拟合的数据处理技术来排除峰值处延迟时间的测量干扰,实现抽运激光脉冲时序纳秒级的测量和闭环控制。控制系统的手动单步控制误差和延迟时间测量误差小于±0.2 ns,闭环控制精度可达±1 ns。     

高重频大能量亚纳秒板条激光放大器研究北大核心CSCD

高重频大能量亚纳秒固体激光器具有重复频率高、单脉冲能量大、峰值功率高等特点,在国防军事工业加工等领域具有广泛的应用前景。本文报道了一种基于板条多程放大的亚纳秒激光放大器。种子光为重复频率1 kHz、平均功率4.5 W、脉冲宽度700 ps、波长1064 nm的基模激光,经过光束整形以匹配板条放大器口径,放大级采用角度复用及偏振变换实现四程放大,最终实现了重频1 kHz、单脉冲能量189 mJ、脉冲宽度720 ps、光束质量2倍衍射极限的亚纳秒激光输出。     

一种基于FPGA水下激光成像系统的同步控制器

为了实现水下激光距离选通成像系统中激光脉冲与像增强型CCD之间的高精度同步控制,提高图像分辨率,提出了一种基于现场可编程门阵列水下激光成像系统的同步控制器。控制器利用现场可编程门阵列的高集成度和灵活性,用锁相环作为全局时钟,用进位链作延时单元,使门控脉冲的延时和门宽精度达亚纳秒级,解决了常规控制电路由于分离元件所带来的延时精度低,不稳定的问题。结果表明,这种同步控制器可解决门控成像系统的精确定时问题,能满足稳定、实时应用的要求。     

58kW高峰值功率窄线宽纳秒脉冲光纤激光器

报道了一种峰值功率58 kW的窄线宽纳秒脉冲光纤激光器,由窄线宽种子源加4级光纤放大的主振荡功率放大(MOPA)结构组成。窄线宽种子源输出的连续种子光经电光强度调制器调制为纳秒脉冲信号光,经4级光纤放大,输出峰值功率达58 kW的窄线宽脉冲激光,中心波长106431nm,平均功率569W,重频100kHz,脉宽98ns,斜效率717,光束质量M2=134,偏振消光比156dB。激光功率的进一步提升受限于次脉冲及自相位调制。该高峰值功率窄线宽纳秒脉冲光纤激光器可在激光雷达中得到应用。     

窄线宽1064 nm掺镱光纤激光器泵浦MgO:PPLN中红外光学参量振荡器研究

提出了一种基于1064 nm掺镱光纤激光器泵浦MgO:PPLN的3.83 μm中红外光学参量振荡器。基于单谐振光学参量振荡器的阈值理论和线宽压窄前后的光束能量集中性理论,分析了不同泵浦光束聚焦深度下,谐振腔内光束分布情况以及线宽调制前后能量的不同集中程度对阈值和光-光转换效率所产生的影响。通过采用单个光纤布拉格光栅的方式压窄了泵浦光线宽,对比分析了在不同占空比下,泵浦光线宽压窄前后对中红外光学参量振荡器输出特性的影响。当泵浦功率为18 W,脉冲激光占空比为0.2%,脉宽为100 ns,泵浦光线宽为2.5 nm时,MgO:PPLN中红外光学参量振荡器获得功率为1.42 W的3.83 μm激光输出,光-光转换效率为7.9%。将线宽压窄到0.1 nm后,脉宽为2 ns,MgO:PPLN中红外光学参量振荡器获得最高功率为1.98 W的3.83 μm激光输出,光-光转换效率为11%,光束质量M2=1.89;同时相比于线宽压窄前激光输出效率提高了39.2%。     

全固态调Q激光器产生脉冲Bessel光束

使用连续式输出的砷化镓半导体激光器泵浦的掺钕钒酸钇激光器作为光源,被动式通过轴棱锥产生Bessel光束.在激光谐振腔内加入Cr4+:YAG晶体调Q产生脉冲Bessel光束.理论模拟了1 064 nm波长光束经过轴棱锥之后的三维传播图和截面光强分布.通过实验得到了1 064 nm波长脉冲Bessel光束的脉冲宽度和脉冲重复率,并计算得到了单脉冲Bessel光束的能量和峰值功率.利用光束分析仪记录了1 064 nm波长Bessel光束的截面光强分布,并测量了中心光斑的直径,得到的数据与理论计算基本吻合.     

Study of Lasing Action in a Pulsed Optically Pumped D<Subscript>2</Subscript>O Gas Terahertz Laser

A modified three-level laser kinetics model for a pulsed high-power optically pumped gas terahertz laser is introduced and used to model the lasing kinetics process of a gas terahertz laser system. We, for the first time to our knowledge, investigated the time evolution dynamics process of the pump intensity, population distribution among the energy levels, pump and THz signal gain coefficient, and the THz laser intensity within the pulsed D₂O gas THz laser. High-power THz pulse with peak power of about 7.4 kW and pulse width of 145 ns at wavelength of 385 μm were obtained in the simulation, using an incident pump pulse with peak power of 2.2 MW and pulse width of 110 ns. THz pulse delay of 40 ns and pulse broadening of 35 ns were quantitatively analyzed. In addition, the experimental results for the pulse profile, pulse width, pulse broadening, pulse energy, and peak power are in agreement with the theoretical simulation results.     

单光束双脉冲、双波长巨脉冲Cr:LiSAF激光器

为实现单光束、双波长、双脉冲Cr:LiSAF调Q激光输出,实验中创造性地采用高压方波驱动电光Q开关实现了双波长、双脉冲的Cr:LiSAF可调谐激光输出。获得了波长分别为890nm与900nm,脉冲能量分别为31mj与38mj,脉冲宽度分别为30ns和27ns,脉冲间隔82μs的单光束、双波长、双脉冲Cr:LiSAF调Q激光输出,双脉冲的不同轴度不大于0.15mrad。为差分吸收激光雷达系统所需单光束、双波长、双脉冲激光器的进一步研制奠定了良好的理论与实验基础。