非链式DF激光器非稳腔数值仿真与实验

基于描述光束传播的菲涅耳-基尔霍夫衍射积分理论,运用快速傅里叶变换算法仿真了非稳腔DF激光的三维近场、远场光强分布。仿真结果显示:非稳腔的近场输出光斑形状为中心对称的空心圆环,远场输出光斑为具有中心亮斑的多级衍射环;大M数将导致近场光斑能量集中,大的Neq值将引起远场发散角变大。运用该算法研究了腔镜倾斜对近场光强分布的影响:腔镜倾斜使光束近场分布变差,倾斜角越大,光强的非对称分布越明显。开展了非链式DF激光器非稳腔实验研究,实验得到的近场、远场光强分布及腔镜失调下的近场光斑变化情况与数值模拟结果一致,实验测量的远场发散角为1.2 mrad。文中的仿真结果可为DF激光器腔镜失调诊断及调节提供依据。     

部分端面抽运板条激光器腔镜倾斜问题研究

部分端面抽运的板条激光器是一种新型固体激光器．配合混合腔可以实现在大功率下保持高光束质量的激光振荡输出。谐振腔的腔镜倾斜是影响激光器输出特性的重要因素，快速傅里叶方法是一种快捷有效的计算方法，利用此方法模拟了腔镜倾斜对近场相位分布和远场光强分布的影响，并分析了光束质量的变化。理论分析表明，腔镜的小角度倾斜对近场相位影响较大，但对远场光强空间分布影响不大；随着倾斜角度不断增大，远场发散角和光束腰宽度也增大，光束质量虽然存在恶化的趋势，但光束质量因子肝值仍然较小，离轴非稳腔仍能保持高光束质量的输出。     

新型圆筒形轴对称四镜折叠组合腔模式分析

本文提出了一种能够产生中空环形激光光束的新型网筒形轴对称四镜折叠组合腔的设计方案.利用光学传输矩阵方法处理了光束在光谐振腔中的传播,得出腔的稳定性条件.由高斯光束在腔内的白再现条件,描述了腔内腔外光束传输特性,同时对近场和远场光束特性进行了数值计算和模拟.     

光腔模式的数值矩阵方法

对腔镜有限分划,构造数值矩阵,并对其进行特征值求解和迭代,从而实现光腔模式计算.计算了圆形镜共焦腔和虚共焦非稳腔内的光场特性和远场光束质量,通过与理论解和实际结果的比较,证明了此法具有较大的实用价值. 本文提出了基于衍射积分理论的数值矩阵方法,在谐振腔模式计算中取得了很好的效果.其基本思想为:将腔镜划分为足够大数量的、按一定规律分布的面积单元,将镜面上复振幅的连续分布变为这些面积单元上的离散分布.最后,通过数值积分和插值计算,构造出高精度的传输矩阵,将传统迭代法中对光场复振幅的二维积分变为线性叠加,从而可对腔内光束特性迅速求解. 本文先以圆形镜共焦腔为例,计算出腔内基模的复振幅分布(腔镜表面)、腰斑尺寸和远场发散角,和拉盖尔-高斯模型比较,两者较好符合.然后,对华工激光公司的激光器产品采用的虚共焦非稳腔的光束特性计算,和实际结果符合很好.(PH3)     

第2类新光束——约束型折叠腔分析

本文运用约束型折叠腔概念,通过数值计算,分析了第２类新光束的模式分布与输出特性,得到了一束近场为准基模（光模）,远场为环模的第２新光束。理论分析与实验结果相吻合。     

大功率垂直腔底发射半导体激光器的光束质量

从M2因子、远场发散角、近场及远场光强分布等方面对大功率底发射半导体激光器光束质量进行研究,分析了不同器件参数对光束质量的影响,为寻找有效改善光束质量的方法提供了依据。设计了一种具有新型排列方式的垂直腔面发射半导体激光(VCSEL)阵列。通过调制阵列中各单元直径以及单元间距,在4 A的工作电流下得到1 kW/cm2的高功率密度和高斯远场分布。与具有相同出光面积的单管器件和4×4二维阵列比较,新型阵列的光谱特性及光束质量均具有优越性。     

轴对称四镜折迭组合腔CO2激光器传输特性分析

为了适应CO2激光器小型化的趋势和降低生产成本的要求,基于矩阵光学理论,提出并研究将众多根放电管轴对称平行安排,由紧凑的轴对称四镜腔提取激光的方案,并对谐振腔的传输特性和输出特性进行了分析和模拟.分析表明:在近场范围内,输出光束为多支靠得极近的光束并在放电管数量众多时可为一环形光束;在远场,输出光束合并为一条光束.     

基于Talbot效应的激光二极管阵列外腔锁相

对基于Talbot效应的激光二极管（LD）阵列外腔锁相进行了理论和实验研究。在腔内各阶超模近场分布的基础上，在腔外加会聚透镜，在其焦平面上得到了同相模和异相模的远场分布。根据同相模和异相模在Talbot腔中的分布特性，提出ZT／2腔（指腔长的往返长度）进行外腔锁相时的理想腔长。由于ZT／2腔内是异相模振荡，远场图像为双瓣模，这时如果让外腔镜在慢轴方向倾斜角度α，让反馈回阵列的同相模和异相模成像位置各发生d／2的偏移，恰好可以选择同相模而抑制异相模。最后采用ZT／2腔对LD阵列的外腔锁相进行了实验研究，并在外腔镜不偏转和偏转角度α时分别观察到同相模和异相模的锁相现象。经过分析计算，同相模锁相时，奠远场单瓣模的发散角约为1.96mrad．     

虚共焦非稳腔腔内失调因素分析及实验研究

在腔内失调理论分析基础上,采用Hartmann?蛳Shack波前传感器实验研究了无源正支共焦非稳腔失调后输出光束像差特性,结果表明,腔内倾斜像差对光束强度分布有显著的影响,但小的腔内倾斜扰动不会使输出光束的相位分布中的高阶像差发生变化。当腔镜垂轴移动偏离光轴时,可能引起某些Zernike高阶像差,如彗差和像散的增大,但首先带来的是Zernike倾斜像差,类似于引入腔内倾斜扰动时的结果。因此在做腔内像差自适应校正时,应首先考虑腔内倾斜像差的校正。该方法为腔内像差特性的研究和像差校正提供了一定参考。     

非稳腔的远场光强分布和光束质量

在对远场光强分布分析的基础上,对非稳腔的光束质量作了详细研究。证明了当遮拦比ε→1时,其远场光强是零阶贝塞尔光束分布。对数值计算结果的物理分析表明:用“桶中功率”曲线是评价非稳腔远场光束质量适用的方法。同时,也指出了这种方法的不足之处。     

晶体光轴的不平行对Glan-Thompson棱镜性能影响分析

为了分析Glan-Thompson棱镜两部分光轴不平行对棱镜性能的影响,利用冰洲石晶体的双折射特性,得到了两类晶体光轴不平行时Glan-Thompson棱镜出射光束偏离角、消光比和透射比的理论计算公式.结果表明,晶体光轴的不平行不会对棱镜的消光比造成影响;而晶体光轴的横向不平行会对出射光束透射比产生一定影响;晶体光轴的...     

Reconstruction Algorithm for Fan Beam with a Displaced Center-of-Rotation

A convolutional backprojection algorithm is derived for a fan beam geometry that has its center-of-rotation displaced from the midline of the fan beam. In single photon emission computed tomography (SPECT), where a transaxial converging collimator is used with a rotating gamma camera, it is difficult to precisely align the collimator so that the mechanical center-of-rotation is colinear with the midline of the fan beam. A displacement of the center-of-rotation can also occur in X-ray CT when the X-ray source is mispositioned. Standard reconstruction algorithms which directly filter and backproject the fan beam data without rebinning into parallel beam geometry have been derived for a geometry having its center-of-rotation at the midline of the fan beam. However, in the case of a misalignment of the center-of-rotation, if these conventional reconstruction algorithms are used to reconstruct the fan beam projections, structured artifacts and a loss of resolution will result. We illustrate these artifacts with simulations and demonstrate how the news algorithm corrects for this misalignment. We also show a method to estimate the parameters of the fan beam geometry including the shift in the center-of-rotation.     

相干激光测风雷达环行器参量对测程的影响

为了提高激光测风雷达性能,采用数学建模的方法,基于环行器工作原理,分析了环行器出射光束质量,讨论了光束发散角对目标距离处激光峰值光强的影响,提出了环行器光束接收效率定义,研究了发射和接收光轴偏轴度对探测距离的影响。并搭建实验平台,取得远场光斑参量,验证了仿真结果。结果表明,随着出射光束发散角增大,相同作用距离处的相对峰值光强减小;雷达探测距离主要受偏轴角度的影响,mrad量级的偏角会使探测距离减小89.7%。因此,应合理增大光学天线准直倍率,并且设计的角度调节结构精度应优于0.1mrad量级。     

激光束经离轴抛物面镜聚焦后光斑特性的研究

从几何光学和物理光学出发,对抛物面镜以离轴90°的方式应用于激光束的聚焦光路时,光轴的角度失准和入射光发散角对聚焦光斑造成的影响进行了分析.基模高斯光准直入射时,由于抛物面镜无球差,焦斑的峰值光强将与入射光直径的平方成正比.光线追迹法证明角度失准导致产生一对相互垂直的焦线,由衍射光学知入射的高斯光将转变为类椭圆高斯光,降低了焦面处的峰值光强.抛物面镜对入射角失准的敏感度极高,mrad量级的误差就足以使焦面处的峰值光强降低一半左右.而且,入射光束直径的增大又将大幅度降低对角度失准的容忍度,使焦面处的峰值光强对失准更敏感.同时也证明发散角的存在将导致产生彗差,亦降低其峰值光强.     

电子束聚焦偏转系统中透镜和偏转器不对中装配误差效应的数值计算

本文讨论了透镜和偏转器在电子束系统中不对中装配造成的电子光学性质影响的数值计算问题,包括推导出不对中的透镜和偏转器在系统中的电磁场表示式,电子轨迹方程及象差积分式等。根据这些公式所编制的计算机程序已用来计算了若干个实例,从中可见不对中误差效应的数值计算对于设计和装配电子束聚焦偏转系统起到指导性的作用。     

大轨道回旋行波放大器非线性理论及电子注偏心的影响

建立了大轨道电子注回旋行波放大器的非线性理论,并考虑了电子注偏心时的情况.利用该理论分别研究了大轨道电子注偏心对工作模式和返波振荡模式的影响.结果表明,对于工作模式,偏心导致放大器的平均单位长度增益下降,而对于返波振荡模式来说,偏心导致了可能存在的振荡模式发生变化,使得大轨道电子注偏心时的模式竞争更加复杂.     

Study of Electron Beam Misalignment in a Submillimeter Wave Gyrotron

Electron beam misalignment in a submillimeter-wave gyrotron strongly affects its total efficiency as well as excitation of rotating and counterrotating modes. Some of misalignment phenomena were studied theoretically and experimentally.     

谐振腔失谐对二极管泵浦Nd:YAG激光器性能的影响

理论和实验研究了激光器谐振腔失谐对激光器性能的影响。一方面,理论上,基于准连续二极管泵浦、电光调Q固体激光器的特点,建立了包含谐振腔失谐修正函数的速率方程模型。通过数值仿真,模拟了不同激光模式、光斑半径、孔阑半径、孔阑位置情况下,谐振腔失谐对激光器损耗以及激光性能的影响。另一方面,实验测量了谐振腔失谐对激光器性能的影响。对于长250 mm、最小孔阑半径3.5 mm的凹凸非稳腔,凹面全反镜失谐比凸面输出镜失谐对激光器性能的影响大,当凹面全反镜水平方向失谐角度由0增加到490 rad时,激光能量由220 mJ下降到150.9 mJ,下降31.4%,脉冲宽度由5 ns增大到6.5 ns,实验结果和理论分析结果基本相符,说明激光模型的正确性。建立的模型与实验方法为预测激光器谐振腔失谐对激光器性能的影响提供了一种有效工具,为高可靠性激光器设计提供了依据。     

自由空间光通信链路最优束散角分析

讨论了FSO通信系统链路最优束散角问题。由空间光通信链路方程得出,减小束散角会增大通信链路裕量。在未对准误差情况下,深入分析偏移角、束散角与链路裕量之间的关系;假设未对准损耗是链路裕量的唯一影响因素的条件下,通过推导得出最大偏移角表达式,当未对准(偏移)角度取得最大值时对应的便是最优束散角。由仿真分析可知,偏移角度的增大导致系统接收光功率减小;对于该系统光束束散角处于1.6 mrad时便是最优束散角。该部分内容研究为对星地的上行和下行通信链路功率计算提供了理论支撑。