高灵敏紫外激光脉冲能量在线检测系统设计

介绍了一种基于PIN光电二极管的紫外激光脉冲能量在线检测系统。首先,采用激光主光路外的检测光实现激光脉冲能量的无损在线响应;其次,采用高速高精度积分电路将响应光电流处理为电压峰值;最后,利用激光系统的同步触发信号进行检测时序设计从而获得精确的激光脉冲前后的检测系统输出差值,经过计算后获得精确的激光脉冲能量。检测系统在248 nmKrF和308 nmXeCl准分子激光器上进行了测试,实现了对0~200 Hz重复率运行的准分子激光能量在线无损检测,测量结果与输出端外置能量计测得结果相对比,相关性与可重复性一致,满足应用需求。     

微机控制的高重复率脉冲激光能量实时测试系统

一般的脉冲激光能量测试方法是用炭斗作为能量接收转换器、经检流计或数字电路读数,这种测量方式费时费力,无法实时地逐次测量离重复频率脉冲激光器能量并统计其涨落。为解决这一问题,作者研制了由微机控制的,可以自动记录高重复率激光脉冲与脉冲能量并统计其涨落的能量测试系统。本系统由快速激光脉冲能量探头,前置放大器、高速高精度峰值保持电路,A/D 转换,打印记录以及协调统一控制上述各部分工作的微型计算机 APPLE-Ⅱ组成,其框图如图1所示。     

高重复频率ArF准分子激光器能量控制算法研究

为了实现工业用高重复频率ArF准分子激光器脉冲能量稳定,从电源控制的角度进行了脉冲能量控制技术的基础研究。介绍了高重复频率ArF准分子激光器能量稳定闭环控制原理,使用近似方法建立了准分子激光器脉冲能量和放电电压的函数模型,提出一种基于实时检测脉冲能量的电压调节比例积分算法,并结合函数模型和控制算法进行了MATLAB仿真。结果表明,建立的脉冲能量模型是合理的,且提出的比例积分算法在提高激光器脉冲输出能量稳定性方面是有效的。     

低抖动准分子激光放大器光源的研究

为了获得低抖动的准分子激光放大器光源,设计了一种以氢闸流管作为高压开关的低抖动准分子激光放大器系统。利用抖动小于4 ns的闸流管触发电路来触发导通氢闸流管,从外部触发信号到准分子光信号之间有一定的延时时间。研究了以氢闸流管作为高压开关的准分子激光放电回路,外部控制信号发生电路产生外部充电信号和出光信号,转换电路将外部充电信号和出光信号转换成固定脉宽的光信号,在实现低抖动出光前,准分子激光放大器系统热平衡过程中会有一定的出光延时漂移现象。讨论了激光运行重复率、激光运行电压和气体状态在热平衡过程中对稳定延迟时间大小的影响。实验表明,在相同运行电压下,稳定延迟时间随着激光运行重复频率的提高而增大;运行电压越高,稳定延迟时间上升的幅度越大。气体恶化后,光脉冲稳定延迟时间变小。激光运行电压和重复频率越高,延时漂移时间越大。在温漂一定时间后,准分子激光放大器内部系统达到热平衡,以外部触发信号为基准,准分子光脉冲信号实现在5、10、15 Hz重复频率下的5 ns内低抖动出光。     

用于白癜风治疗的308nm XeCl准分子激光系统

研制了一台用于白癜风治疗的308nm XeCl准分子激光系统。根据准分子激光器脉冲式放电的特点,设计了推挽式脉冲开关电源。实验研究了激光器脉冲重复频率、工作电压、气体寿命对激光输出能量的影响,并检测了激光输出脉冲能量的稳定性。通过自动反馈控制系统调整激光头放电工作电压实现输出激光能量的稳定。激光采用扩展型紫外液芯光纤传导,得到均匀性良好的治疗光斑,液芯光纤对308nm激光的传输效率约为70%。激光器脉冲重复频率1～200Hz,工作电压18～25kV,输出能量不稳定度小于4%。经光纤输出用于治疗的有效光斑直径22mm,脉冲能量密度2～3mJ/cm2。     

准分子激光低抖动延时同步系统

准分子激光放大技术可将固体掺钛蓝宝石飞秒激光器通过频率转换后得到的小能量深紫外飞秒脉冲放大为大能量深紫外飞秒脉冲。为了满足准分子激光器与固体飞秒激光器之间同步工作的需要,设计了一种准分子激光低抖动延时同步系统。该系统采用现场可编程门阵列(FPGA)数字延时和可编程延时芯片延时相结合的方法,利用时间测量芯片实现对延时时间的闭环控制从而提高系统延时的稳定性,最终实现对外触发脉冲信号的精确延时。验证实验表明，该系统在1～100 Hz频率下运行稳定,输出触发脉冲信号延时范围为56 ns～2.4μs,理论延时步进为10 ps,抖动在±1 ns内,完全满足飞秒激光器与准分子激光器同步工作的需要。     

准分子激光屈光治疗仪的能量稳定系统

介绍了准分子激光器在眼科屈光手术中的应用及治疗原理,分析了激光腔体大小、激光工作频率高低、环境温度变化以及人为因素等对准分子激光器能量稳定性和手术效果的影响,阐述了无能量稳定系统的准分子激光屈光治疗仪的系统组成和工作原理。根据自动控制原理,提出了提高准分子激光器能量稳定的设计方案,详细叙述了有能量稳定系统的准分子激光屈光治疗仪的控制原理。试验和应用都表明,有能量稳定系统的准分子激光屈光治疗仪在2小时的工作时间内,激光输出能量能稳定在5％以内,结果令人满意。     

眼科准分子激光实时监控能量计

利用激光感生热电电压(LITV)效应制成了激光功率/能量计,它不仅能测量和记录每个脉冲的能量值及实时施加的脉冲总能量等信息,也能记录每个入射脉冲的响应波形,实现了对激光能量的实时监控。用此功率/能量计对248 nm准分子激光器进行模拟实验。测量结果表明,在1~50 Hz重复频率下,激光器输出能量的相对标准偏差在8.6%~10.7%。在模拟屈光手术设置参数下,对193 nm准分子激光器进行测量,表明此激光器输出能量的相对标准偏差在8.3%。将这种激光功率/能量计用于激光近视眼科手术中,对提高激光的切削质量和手术质量有重要意义。     

准分子激光皮肤治疗仪能量稳定性研究

为了满足308 nm准分子激光皮肤治疗仪对激光输出参数,特别是激光能量稳定性的要求,首先建立了激光能量衰减模型,提出了基于激励电压补偿能量的比例积分（PI）算法,对PI算法进行了理论分析、模拟实现;其次对准分子激光器进行了实验研究,设计了高压激励电源和基于快速光电二极管的激光能量无损检测模块,实验研究了激励电压与输出能量的关系、激光器能量衰减特性以及引入PI算法后的激光器能量稳定特性;结果表明:激励电源和能量检测模块满足PI算法的调节精度和响应速度,引入PI算法后,准分子激光器输出能量在1千万个脉冲内仍能维持目标能量17.5 mJ附近,能量方差从0.2%缓慢上升至3%,满足准分子激光皮肤治疗仪的使用需求。     

纳秒激光微加工系统的实现

介绍了自行设计的纳秒激光微加工系统的组成和结构,各个部分的功能作用和工作原理,以及基于DSP和FPGA的硬件电路设计.分析了脉冲重复率、激光能量以及二维运动平台速度等参数对加工效果的影响,优化改善了脉冲式激光与二维平台运动的配合.整个系统结构简单,控制方便,稳定可靠,实现了高效率高精度的微加工.     

A high-power long pulse excimer laser

Excimer lasers operating at high average powers are becoming important for materials-processing applications. A long-pulse excimer laser with automatic spark preionization which provides a pulse energy of 1 J with an optical pulse length of 200 ns full-width half-maximum for XeCl is described. Successful scaling of the repetition rate to 220 p.p.s. is discussed along with requirements for gas flow.<>     

全光纤结构锁模脉冲光纤放大器

随着光纤技术的不断发展,光纤激光器以其体积小、结构紧凑、高效率、光束质量好、高稳定性等优点逐渐受到重视。近些年,具有高峰值功率、高重复频率和高单脉冲能量的脉冲光纤激光器越来越成为研究和应用领域的热点。利用自行搭建的环形腔光纤激光器,获得了稳定的自启动锁模脉冲种子源,以掺Yb双包层光纤为增益介质,采用包层泵浦的方式和主振荡功率放大结构(MOPA),通过两级放大,使平均功率为70 mW的信号光得到25.2 dB的增益,获得了平均功率23.07 W,中心波长1 064 nm、重复频率41.3 MHz,脉冲宽度50 ps,单脉冲能量0.56μJ,峰值功率11.2 kW的锁模脉冲激光,光光转换效率为42.4%,实现了全光纤结构的锁模脉冲放大器。     

百kHz重复频率卫星激光测距

对卫星激光测距(Satellite Laser Ranging, SLR)回波数与重复频率、脉冲能量及功率关系进行分析,表明单位时间内相同激光回波数,重复频率越高所需激光脉冲能量和平均功率越低;同时对SLR单次测量精度及标准点数据精度进行分析,表明标准点时长内测距点数越多,SLR标准点精度越高。提出点火脉冲群与门控脉冲群收发交替的工作模式,解决超高重复频率后向散射光噪声对激光回波干扰问题。开发多缓冲区存储模式,使测量软件数据实时处理与储存效率提升4~6倍。基于中国科学院上海天文台60 cm口径SLR系统,以快速事件计时器、脉冲群生成器、低噪声单光子探测器等,采用脉冲间隔5 μs、单脉冲能量80 μJ的皮秒激光,收发交替脉冲群模式下实现100 kHz重复频率低轨至高轨卫星的SLR测量,近地星Hy2b标准点精度达到28.55 μm,远地星Galileo218标准点精度达到136.51 μm,为发展更高重频和高精度空间目标激光测距提供了有效方法。     

高光束质量窄脉宽激光器

最大测程作为评估测距性能的综合性指标,成为影响武器系统作战效能的重要因素。为了研制满足作战效能的远程激光测距系统的高光束质量窄脉冲宽度种子源,采用将传统高重频电光调Q 磷酸钛氧铷晶体应用于低重频调Q的方法,实现了重复频率25Hz、脉冲宽度1.8ns、单脉冲能量1.5mJ的输出,光束质量M2<1.3。结果表明,该研究为远程激光测距系统所需窄脉冲宽度1ns~3ns、大脉冲能量200mJ、高光束质量的1064nm无水冷全固态激光源提供了合格的种子源。这一结果对高光束质量窄脉冲宽度的激光器的设计是有帮助的。     

A pulse repetition frequency scaling law for the high repetition rate neutral barium laser

The variations in the output energy per pulse and in the average power output of the neutral Ba cyclic metal vapor laser as a function of the pulse repetition rate have been analyzed. At constant input power, the output energy per pulse is found to vary inversely as the two-thirds power of the pulse repetition frequency and so the average output power varies as the pulse repetition frequency to the one-third power up to the point where the Ba metastables do not have sufficient time to relax between pulses. Since the experiments which have been analyzed were conducted with a constant value for the laser discharge capacitance, these results imply that the output energy per pulse of this laser varies as the four-thirds power of the input voltage.     

二极管端面抽运千赫兹激光器

大功率千赫兹激光器作为雷达系统的核心部分之一,在大气科学的研究中显得极为重要。实现大功率千赫兹激光器的可行方式之一是采用主振荡功率放大器。为了获得窄脉宽、高光束质量的千赫兹主振荡器,采用二极管端面抽运的千赫兹电光调QNd:YAG激光器的方法,进行了理论分析和实验验证,取得了重复频率1kHz、脉冲宽度5ns、单脉冲能量2.7mJ的1064nm激光输出,光光转换效率40%、光束质量M2=1.2。结果表明,该研究为1kHz,500W,10ns绿光主振荡功率放大器提供了合格的种子源。     

高稳定度大能量三波长脉冲激光系统研究

设计了一套高稳定度大能量输出的三波长Nd:YAG激光系统,用作激光清洗光源.该系统包括振荡级、放大级及后续波长切换系统.为解决激光棒热致双折射效应造成的输出能量下降和输出不稳定,在输出镜和激光工作物质之间插入λ1/4波片,并对波片的补偿效果进行了研究.结果表明:插入波片后振荡级输出能量提高了10％,稳定度明显提高.重复频率为10 Hz时,1064 nm激光经放大后单脉冲能量可达700 mJ,其单次通过倍频晶体BBO,得到532 nm激光的单脉冲能量为325.6 mJ,四倍频后得到266 nm激光的单脉冲能量为84 mJ.1h内测得的三波长激光输出能量不稳定度均小于0.6％.     

MOPA方式高峰值功率脉冲光纤放大器模拟

为了研究如何从脉冲种子光经放大器后获得能量为毫焦级、纳秒级脉宽的激光脉冲,以及重频、受激喇曼效应对输出激光脉冲的影响,采用基于主振荡动率放大方式建立了3级脉冲双包层掺Yb光纤放大器的瞬态理论模型。在不同重频下对能量为10nJ、脉宽为100ns的脉冲种子光经放大后的脉冲能量、峰值功率、平均功率、脉宽及受激喇曼效应进行了数值模拟。计算数据表明,当重频小于200Hz时输出激光脉冲的能量、波形受重频的影响很小,可以忽略不计,在适当参量下受激喇曼效应对各级放大输出几乎没有影响。结果表明,适当选择3级光纤放大器的各项参量可以实现毫焦级的激光脉冲输出。     

高能固体脉冲激光热晕效应相位补偿的数值分析

热晕效应是高能激光大气传输最重要的非线性效应之一。利用激光大气传输四维仿真程序,针对高能固体脉冲激光大气传输的非线性热晕效应,采用常规自适应光学系统与随机并行梯度算法自适应光学系统对其相位补偿进行了数值模拟和分析。结果表明:当脉冲宽度1 ms,重复频率10 Hz,单脉冲发射功率500 kW时,常规自适应光学系统补偿效果较好;当脉冲发射功率增加或者重复频率增加时,随机并行梯度下降算法自适应光学系统补偿效果较好。     

同时重复频率激光脉宽和能量的实时测试系统

本文提出了用一套数字存储示波器和ＰＩＮ光电二极管组成的测试系统的设计思想,维而以６频率为２０ＨＺ的激光脉冲为例提供了设计方案。该系统能同时测量重复频率为２０ＨＺ的激光脉冲的脉宽和能量。在有效地解决光电信转换、数据传输及数据处理等技术问题的基础上,可同时实时测试更高重频率的序列激光脉冲宽度和单脉冲能量值。