激光辐照材料热效应问题的有限元实现

针对激光辐照光学透镜产生的热效应问题,选用有限元法推导了光学透镜模型的热传导方程的有限元求解格式,基于Matlab编程实现了计算光学透镜在脉冲激光辐照下的温度场分布。研究结果表明,光学透镜的温度随辐照激光光斑半径的增大而减小;随激光脉冲数目的增多而增大,但是由激光能量的累积效应所导致的材料温升并不显著;随激光功率的增大而增大,是影响材料温升的显著因素,当功率增大到一定数值时将造成光学透镜的损伤,文中激光功率达到250 mW时造成材料的熔融损伤。     

宽视场有增益光学系统设计

从激光探测告警光学系统的视场和光学增益出发,分析了浸没透镜的光学增益和像差特性。针对激光告警设备设计了宽视场有增益光学系统:视场角30°,光学增益可达20倍以上,结构简单,对降低激光辐射源功率、增强探测距离有一定的意义,经分析该方案可行。     

基于等光程原理的激光引信光学整形方法

由于受环境、空间、功耗等方面的限制,常规弹药激光引信难以采用传统光束整形方法实现回波聚焦。本文针对常规弹药激光引信目标回波能量低、探测距离有限这一问题,研究非球面光学设计理论,提出一种基于等光程原理的单级非球面光学整形方法。建立激光接收系统ZEMAX光学理论模型,对比分析不同条件下光学整形能力,仿真结果显示相对于传统单级球面光学接收透镜,单级非球面光学接收透镜能将整形光斑中心辐照亮度提高三倍。在理论分析基础上进行光束整形对比实验,测试不同条件下整形光斑尺寸以及分布情况,实验结果显示单级非球面光学接收透镜能有效压缩光斑,汇聚激光回波能量。     

一种新型梯度折射率激光单模光纤耦合物镜

本文提出抛物型梯度折射率透镜用作激光单模光纤耦合物镜的设计方案。基于几何光学和光束光学理论,论述了这种设计方案的可行性。     

基于Fresnel透镜的激光车灯的设计与加工

激光车灯对比于LED车灯,具有能耗小、体积小、亮度高等优点,是汽车车灯发展的新方向。提出了一种激光车灯的完整的设计思路。光源采用激光二极管激发荧光片得到白光。通过搭建光学检测平台研究激光驱动白光光源的光学特性,通过机器视觉的方法研究荧光片前后光斑的形状和尺寸的变化,从而精确地建立光源的仿真模型,为后续的光学设计提供理论依据。通过非成像光学设计方法,设计了Fresnel透镜实现了对激光的整形,并利用超精密车削实现透镜的加工。完成了车灯的设计和组装,并通过光学仿真和光学实验验证了设计的正确性。     

用于原子冷却的激光与窄带光学腔优化匹配

采用光学腔对用于原子冷却的窄线宽激光频率稳 定非常重要。本文提出一种三镜结构的环形光学谐 振腔,基于入射激光与该腔的模式优化匹配,获得了线宽小于1MHz的稳频参考。首先通过 基模高斯光束 在空间的传播规律得到激光腰斑大小100 μm,并基于光学矩阵变换 规律得到该环形腔的光腰尺寸为247.6 μm 且位于两平面反射镜之间,然后通过高斯光束通过透镜的腰斑变换规律,提出采用焦距186 mm,且位于距 离光学腔光腰位置382 mm的匹配透镜实现两者的优化匹配。通过实验 ,最终获得线宽0.7 MHz的腔透射信 号,也即锁频参考线,相比较于200 mm两镜短腔1.5 MHz的线宽,具 有明显优势。对激光与环形光学谐振腔的优化匹配研究有利于冷却激光线宽的优化工作。     

管状激光介质的热透镜效应

从理论上详细分析了管状激光介质的热透镜效应,提出了“热感应光线轴”的观点,推导出确定管状激光介质光学性质的折射率分布、二维光线矩阵和热透镜焦距。     

柱面光学微结构用于红外激光防护研究

激光防护是一种可广泛应用的技术,论文针对目前红外激光防护技术中存在的可见光波段吸收强、镜面反射造成设备或人员损伤等问题,提出一种形成于光学窗口表面的红外激光非镜面反射光学微结构,具有对可见光透过率影响小,同时对1 064 nm红外激光大角度散射的功能,从而实现激光防护。文中采用光线追迹方法设计具有移位结构的双面微柱透镜阵列,阵列周期T与透镜单元曲率半径R之间需满足0 T R/27的关系。应用Virtual-Lab光学建模软件对设计的柱面微结构进行模拟,模拟结果为:可见光平均透过率下降7%,对实用结果影响很小,并可以通过可见波段镀制增透膜进行弥补;1 064 nm红外激光反射率约为75%,发散角大于30。采用数字掩模光刻技术完成微柱透镜阵列实验,实验结果与模拟结果趋势相同,最终得出结论:微柱透镜阵列能实现大角度散射,能够极大降低激光单一方向反射回波能量,从而达到了激光防护的目的。     

重复率高功率Nd玻璃激光器的热透镜效应的消除

研究了重复率高功率强激光作用下热平衡状态激光的热透镜效应。观察和分析了激光棒从非热平衡到热平衡状态的热透镜效应，通过采取插入光学补偿系统的方法，使得激光器系统在热平衡状态下的热透镜效应得以消除，从而得到较好的激光输出和稳定的实验系统。     

用于激光到光纤最佳耦合的二元光学微透镜

采用位相平衡设计法设计了用于激光到光纤最佳耦合的二元光学微透镜，把二元光学微透镜看成是一种沿径向分布的特殊周期性位相结构，并用叠加积分法作了衍射分析，结果表明在不考虑光纤端面反射损耗的情况下，当用多模光纤接收时，设计的二元微透镜能使１００％的入射激光耦合至多模光纤，在光纤中激起的基模比例为９９．６０％；当用单模光纤接收时，设计的二元微透镜能使９９．９５％的入射激光耦合至单模光纤     

基于透镜阵列的眼科准分子激光光束整形与匀光系统

为提高屈光手术中准分子激光的能量利用率和光斑均匀性,设计了一套由双排透镜阵列和会聚透镜组成的准分子激光光束整形与匀光系统。借助近轴光学计算发现,通过调节双排透镜阵列的间距可以改变聚焦光斑的尺寸,通过调节透镜阵列与会聚透镜之间的距离可以改变光学系统的整体长度而不影响聚焦光斑的形态。利用光线追迹方法对该系统进行了模拟分析,在会聚透镜像方焦平面上获得了呈均匀分布的方形聚焦光斑,并给出了聚焦光斑尺寸随双排阵列透镜间距的变化过程。分析了接收面离焦对光斑尺寸和能量分布产生的影响,指出所设计的光束整形与匀光系统可以满足准分子激光屈光手术对激光光斑质量的要求。     

透镜聚焦数控激光切割机聚焦光束方向研究

研究了数控激光切割机在进行金属板切割时激光束经凸透镜聚焦的聚焦光束传播方向的偏转问题。找出了当激光束中心入射线与聚焦镜(凸透镜)光轴异面时影响聚焦光束方向的几个入射物理量,并运用几何光学原理给出了聚焦光束方向与它们之间的关系式,同时提出了一个调节聚焦光束方向并使聚焦光束垂直于待切割板材板面的方法。切割实验表明,在一定的调节范围内,采用此方法可以方便地调整聚焦光束方向。这一方法也适用于其他采用透镜聚焦的激光加工设备,并为此类设备的聚焦光束方向调节设计提供了一个新的选择和依据。     

球面端面锥形发散梯度折射率透镜的设计理论

本文系统地研究了球面端面的锥形发散梯度折射率纤维透镜的几何光学设计理论以及用作激光束变换元件的设计规律。     

模折射率透镜光学特性的计算分析

本文从传统几何光学原理出发,用光线追迹的方法来计算研究准直光束斜入射到模折射率透镜(MIL)上产生的像差,以及当半导体激光器与波导端射耦合以MIL作为准直透镜时,输出准直光束的发散情况,并探讨MIL在集成光学频谱分析仪(IOSA)中作为准直或会聚透镜的适用性。计算表明MIL在IOSA中作为准直或会聚均是可行的。     

基于光路失调原理消除笔形光束的危害

分析高功率激光器中笔形光束的成因及其潜在危害的规律,提出一种减少(或消除)空间滤波器中笔形光束的技术措施——倾斜透镜法。用增广矩阵法计算非共轴光路笔形光束会聚点位置并分析其变化。以高功率激光系统的空间滤波器为例,报道追寻失调滤波器中鬼点和消除笔形光束的设计、计算结果。结果表明,采用两透镜非同轴构型,选取适当的滤波器设计参数,并适当倾斜透镜L2,能有效地避免笔形光束对高能激光系统造成的危害。     

基于矩阵光学的光镊设计

光镊已经成为研究单分子生物物理特性的一个基本工具, 因而光镊设计是一个极为重要的课题。光镊捕获光路一般由激光器、扩束系统、光束调控系统、共焦系统、光束耦合系统和大数值孔径的物镜组成, 通过保持物镜后瞳充满度来实现光镊稳定性。本文根据几何光学, 利用矩阵光学进行光镊捕获光路计算, 得到了各个透镜间距、透镜和光束调控系统距离、物镜后瞳处光斑大小与光束调控系统处光斑大小的关系、光束调控系统处光斑大小和入射激光光斑大小的关系。本文计算结果表明光镊横向位置和物镜高度无关, 并指出了物镜后瞳位于成像透镜后焦面、光束调控系统位于共焦系统后透镜像方焦面处, 才能在光镊阱位纵向操控时保持物镜后瞳充满度不变。本文工作为光镊设计和调整提供了非常简洁而有效的理论指导。     

大直径阶跃折射率棒透镜的成像公式

导出了高斯光束经大直径阶跃折射率棒透镜的成像公式，在几何光学条件近似下，所得公式可简化为几何光学成像公式。分析了光束束宽和包层对成像的影响。     

浅析元件参数对外腔半导体激光器输出谱宽影响

半导体抽运碱金属蒸气激光器（DPAL）需大功率窄线宽泵浦源,但市售半导体激光器输出线宽远远大于碱金属原子吸收谱宽,难以实现有效泵浦,因此需采用Littrow 外腔法压窄半导体激光器输出谱宽。Littrow 外腔系统中元件参数的选择直接影响大功率半导体激光器输出谱宽。为此文中沿入射光线方向构建外腔压窄模型,利用球面镜替代柱面镜,分析了微柱透镜阵列、光学系统和光栅元件对外腔输出谱宽的影响,模拟结果为微柱透镜阵列焦距越小、光栅刻线越密、球面镜焦距越大,外腔输出谱宽越窄,实验结果符合理论模型。     

电控宽域热不灵敏Nd∶YAG固体激光器的研究

运用激光谐振腔的矩阵光学理论,并根据内含补偿透镜和热透镜的激光腔处于热不灵敏的条件,给出了激光腔处于热不灵敏状态时补偿透镜屈光度与热透镜屈光度的对应关系;在此基础上,设计了一种宽域热不灵敏激光腔,该激光腔采用电调谐液体透镜作为补偿透镜,根据泵浦功率的变化调节电压改变液体透镜的屈光度,进而使激光腔在泵浦范围内始终保持热不灵敏状态。     

基于液晶空间光调制器的变倍率激光扩束技术研究

由于激光器发出的光束通常在毫米量级,然而在激光测距、激光通信、激光全息等领域中需要较宽的光束,因此需要对激光束进行准直扩束。本文提供了一种基于LC-SLM的变倍率激光扩束方法,利用LC-SLM产生透镜的波阵面。由计算机数值模拟出焦距不同的变焦透镜相位调制图,将其加载到LC-SLM上,利用焦距不同的变焦透镜相位调制图的灰度信号来控制LC-SLM外加电压变化,实现了基于LC-SLM的变焦透镜功能。根据伽利略望远镜形式的扩束系统,本文利用LC-SLM的变焦透镜功能与匹配透镜配合,搭建了基于LC-SLM的变倍率激光扩束系统,实现对激光束的变倍扩束。实验结果表明,该系统实现了2~×~10~×连续变倍率激光扩束。系统结构简单、精度高、响应速度快,具有很大的实用价值。