自适应扩束系统控制"飞行光束"聚焦特性

提出了一种应用自适应扩束系统解决“飞行光束”聚焦特性的方法 ,分析了系统的工作原理及调节特性。数值模拟结果表明 ,自适应扩束系统能够实现对“飞行光束”聚焦特性亦即焦点位置与焦斑大小的控制。     

飞行光学聚焦特性控制仪的研制

研究了长距离飞行光学（flying optics）高斯光束聚焦特性,理论研究表明：将某一特定谐振腔的瑞利长度ZR取代q参量虚部的光斑尺寸w时,q参量的ABCD定律可以从基模推广到高阶模或几个模的叠加,并推导出飞行光学实际焦距与几何焦距之差Δf的计算公式。为了精确控制飞行光学聚焦特性,研制了一套自适应飞行光学聚焦特性控制仪,实验和理论比较吻合。     

自适应变形镜激光应用技术

自适应变形镜技术在激光加工、激光发射和远距离输出、聚焦系统等方面的应用正日益受到重视，不断发展。它是激光光束质量和聚焦特性自适应控制的关键技术。本文着重论述高功率强激光加工中自适应变形镜技术及其对“飞行光学”聚焦特性控制的新技术。     

高斯光束聚焦特性的深入研究

本文讨论了高斯光束的焦点移动以及焦点附近的光强度分布特性。计算了聚焦高斯光束焦斑位置、焦斑尺寸、焦点移动及焦点处强度分布特性随入射高斯光束参数的变化并得到了一系列理论特性     

非离轴楔形透镜2×2集束聚焦系统的误差分析

为提高靶面光强,高功率激光驱动装置中常采用多路激光组束打靶,目前主要采用2×2集束的方式。集束聚焦系统中使用的透镜可分为离轴透镜和非离轴透镜,采用非离轴楔形透镜的集束聚焦系统在理想条件下可获得很好的焦斑质量。建立了2×2集束聚焦系统的光传输模型,并仿真研究了实际安装调试过程中各种误差对其焦斑造成的影响。结果表明,反射镜角度和透镜平移对系统的焦斑质量影响很大,需要对其进行精密调试;透镜安装角度和焦距误差对系统的焦斑质量影响较小,现有条件比较容易满足。本文研究可提高研究人员对多光束相干合成集束方案的认识,对实际系统的安装调试有一定指导意义。     

单脉冲高能激光系统动态焦斑位置测量

针对普通焦距测量方法无法对单脉冲高能激光热畸变引起的焦斑轴向位置漂移进行测量的问题,设计了一种由正交双楔板组分束、可实现瞬时焦斑位置测量的光斑列阵检测系统。两组垂直放置的楔板反射镜组对汇聚光束进行空间分束调制,不同光束具有不同汇聚位置。这些光束最终被探测器接收,形成尺寸不同、阵列分布的光斑阵列。通过对光斑阵列的单次探测,实现了多种轴向焦斑位置变化量的获取及单发次高能激光脉冲系统的焦斑漂移测量。经过理论分析、软件模拟及具体实验验证,该测量系统具有测量范围与测量精度可调、光斑离散性好、杂散光影响小等特点。     

矢量光束对金纳米颗粒的捕获与力学测量

正近年来,柱对称矢量光束由于其特殊的性质引起了越来越多的关注。柱对称矢量光束是一种特殊的矢量光束,其光场的强度和偏振分布都是关于轴对称的。它们独特的偏振特性在许多领域得到了重要的应用,包括激发表面等离子体,光学捕捉和操纵,高分辨成像等。从理论和实验上研究了柱对称矢量光束对金颗粒的捕获特性。理论上,数值模拟了柱对称矢量光柬的聚焦场分布,发现对于径向矢量光,其聚焦焦点有一个很强的纵向分量,并且焦斑尺寸较小,也就是说聚焦的径向矢量光束能够提供更大的梯度力、切向矢量光的横向场场强分布与径向矢量光的横向场分布相似,但是其纵向场分量却接近为零,所以切向矢量光的聚焦焦斑呈现环形。实验中观察到了90 nm的金颗粒被捕获在切向矢量光聚焦焦斑的环状区域。     

离轴抛物面镜对超短激光脉冲紧聚焦特性的研究

为了研究超短激光脉冲光束质量对焦斑的影响,采用经典的几何模型进行了理论模拟分析,并实验研究了离轴90°抛物面镜的飞秒激光光束的紧聚焦特性。由理论分析和实验结果可知,当入射失准角为3mrad时,将从空间上使焦斑峰值功率密度减半,失准角的存在将引起到达靶面的激光脉冲的时间展宽从而降低焦斑峰值功率密度;利用3TW钛宝石飞秒激光系统,通过ƒ/1离轴90°抛物面镜对激光束进行紧聚焦,得到最佳焦斑尺寸为5.6μm×5.4μm,对应于3mJ和96mJ的飞秒脉冲激光光束的焦斑峰值功率密度分别为3.83×1017W/cm2和1.23×1019W/cm2。结果表明,该研究为开展激光与固体、气体、团簇等物质相互作用的相关实验提供了重要的参考。     

皮秒参数测量系统中聚焦特性的在线诊断方法

聚焦特性是一项非常重要的技术指标,它直接决定着激光装置的峰值功率密度。提出了一种大口径、高能量激光的聚焦特性诊断方法,可用于实现皮秒拍瓦激光系统的聚焦特性在线诊断功能。该方法设计了基于长焦距透镜法的高精度、低误差的远场测量单元,然后通过焦斑测量单元的测试数据来校验远场测量单元,最后提供皮秒拍瓦激光聚焦特性的实时诊断功能。实验结果表明,远场测量单元和焦斑测量单元的测试数据之间的相似度接近于1。因此,可以通过远场测量单元的测试数据,结合皮秒拍瓦激光的能量、脉宽数据,实现物理实验过程中的峰值功率密度实时监测功能。     

用轴棱锥实现可改变的局域空心光束

理论和实验研究了利用轴棱锥-透镜系统产生的局域空心光束，分析了局域空心光束的演变过程，由简单的几何光学结构和近轴光线追迹的方法进行模拟。研究结果表明，局域空心光束的暗中空区域不仅与聚焦透镜的焦距有关，而且与光阑半径以及聚焦透镜到轴棱锥间的距离有关；对于给定的轴棱锥，局域空心光束的横向暗斑尺寸与焦距成正比，并且其纵向暗斑尺寸与聚焦透镜到轴棱锥间的距离以及光阑半径成反比。这些结果表明，改变聚焦透镜的焦距和聚焦透镜到轴棱锥间的距离以及光阑半径，可有效地改变局域空心光束的暗中空区域。     

聚焦光束的傅里叶数值算法研究

由于取样定理的限制 ,常规的基于快速傅里叶变换 (FFT)光束传输模拟算法不能进行任意焦距聚焦光束的传输过程的模拟。为此提出了一种新算法 :将球面波因子提出 ,将会聚光束的传输过程转化为非会聚光束的传输 ,从而间接地求得了聚焦光束的光场分布。利用Fresnel数对两种传输过程的关系和聚焦光束的传输特性作了分析     

湍流大气对高斯光束聚焦特性的影响

基于广义惠更斯-菲涅尔原理,推导出高斯光束在湍流大气中经薄透镜聚焦后的光强解析表达式,进而得到轴上点最大光强和相对焦移的公式。对表达式进行的数值仿真结果表明,湍流大气中高斯光束的聚焦规律与自由空间中高斯光束的聚焦规律相同,湍流大气对高斯光束聚焦特性的影响表现为,使得轴上点最大光强减小、相对焦移增大。因此,为在探测器上获得最大光强和较小的相对焦移,应采用大束腰高斯光束通过短焦距透镜进行聚焦。     

光热光束偏转方法测量激光束特征参数

本文叙述了光热光束偏转方法的基本原理,介绍了一种新的应用光热光束偏转方法测量聚焦激光束的特征参数及聚焦透镜焦距的方法。实验测量了经单一锗透镜聚焦后的CO_2激光束的腰斑半径和位置,同时确定了聚焦锗透镜的焦距,其结果与实际情况一致。     

10 PW激光装置终端聚焦光场参数的测量与优化

聚焦光场强度是超强超短激光与物质相互作用实验中最为核心的技术指标之一。本文提出了10 PW激光系统在真空条件下聚焦光场的参数测量方案,解决了终端物理靶场在真空环境中难以实现激光参数准确测量的难题。该方案通过平场消色差物镜和大口径光学器件优化设计,降低了取样测量系统引入的色差和单色像差。利用理想光源对取样测量系统进行标定,结果显示,该系统引入的波前畸变峰谷值(PV值)为0.106μm,均方根值(RMS值)为0.016μm,接近测量仪器的最小极限值,对主激光测量误差的影响可以忽略。同时,取样测量系统实现了终端变形镜与波前探测器的严格物像共轭关系,保证了自适应光学系统波前校正效果最优。通过对比空气条件和真空条件下的波前和焦斑测量结果,验证了取样测量系统的有效性。在真空条件下,利用该取样测量系统对激光脉冲进行波前、焦斑测量和优化,获得了接近衍射极限的聚焦焦斑。2.7 PW激光脉冲经焦距为2000 mm的离轴抛物面镜聚焦后,聚焦光强可达到4×10²¹W/cm²,能为物理实验提供极端的物理条件。     

强激光束聚焦特性研究

采用功率谱密度(PSD)和均方根梯度(RMD)描述畸变波前的方法,建立了终端光学系统光传输模型和强激光束聚焦特性模型及计算程序,得到聚焦光斑尺寸随近场光束波前变化的一般规律,同时对终端光学系统中的元件排布,以及满足聚焦要求的光束控制元件提供了初步的设计参数. 采用位相均方根梯度描述光学元件引入的低频段噪声,通过建立合理的畸变波前的二维模拟计算模型,计算了激光焦斑分布.给出了光学元件引入的低频段位相噪声与光束聚焦特性的一般规律,即随着不同均方根梯度的增大,远场聚焦光斑的尺寸随之扩大.对于具有同一均方根梯度的不同随机位相屏,计算得到焦斑强度分布虽各不相同,但焦斑直径在一定范围内变化.位相均方根梯度较好地反映了聚焦光斑尺寸随畸变波前的变化.同时对传统的傅里叶变换算法进行了改进,在空域和频域中,可根据计算需求灵活改变采样区间和抽样点数.将计算结果与直接对衍射方程求积分得到的结果进行了比较,获得一致的结果,证明了程序的正确性. 对于高频畸变波前,引入PSD进行描述.同时对位相恢复算法进行了研究,并对位相屏进行了低通滤波处理.(OG17)     

大功率扩散冷却型Slab CO2激光器光束质量的研究

本文对国际上最新的大功率扩散冷却型Slab CO2激光器的光束质量进行了全面的测量与实验研究.从原始激光束的光束质量、通过导光系统后激光束质量、聚焦光斑的质量以及焦点漂移四个方面全面考察了Slab CO2激光器的光束质量以及光束的传输、聚焦特性.结果表明,Slab CO2激光器具有高光束质量,其M2因子非常接近1的理想值;激光束具有良好的传输和聚焦性能,可以长距离传输;使用焦距为300mm的聚焦镜聚焦,聚焦光斑的束腰半径约为134μm,光束横截面能量分布接近理想的高斯分布,焦深约为5mm,在加工范围内(3m),激光束的焦点漂移量大约为1mm.另外,采用Slab CO2激光器对厚度为10mm的低碳钢在不同的离焦位置进行激光深熔焊接实验,讨论了激光光束质量和焦深对焊接结果的影响.     

飞行光学导光系统中的光学理论和设计

从激光加工的角度出发，以多模激光光束传输和聚焦理论为基础，论述了飞行光学导光系统中光束变换系统的设计方法，光束质量对飞行光学导光系统的设计的影响，提出了飞行光学系统中激光光束在激光加工中的加工范围和有效焦深等新概念。     

用于激光等离子体诊断系统的长焦深透镜

针对惯性约束聚变(ICF)等离子体诊断系统中对长焦深光学元件的要求,采用非线性相位拟合法设计了一块孔径150 mm,焦距450 mm,焦深5 mm的长焦深球面透镜.为了验证该方法的可行性和正确性,制作了一块与设计等F数(通光孔径为80 mm,焦距为240 mm)的长焦深透镜,并且测量了平行光经过该透镜后的轴上和横向光强分布.理论和实验结果都表明,采用非线性相位拟合法设计的长焦深透镜可以获得长焦深、小焦斑、小旁瓣的聚焦光束,可以满足诊断系统对长焦深元件的要求.     

终端靶场中相位畸变对近场光束质量的影响

终端靶场聚焦系统中的光学元件上存在不可避免的缺陷致使光场波前发生畸变,根据高功率激光装置终端靶场系统中强光束传输的特点,建立了描述光学元件引入的局域相位调制的模型,研究了终端靶场中具有高斯型相位波前畸变的平顶光束经过透镜会聚,并在后续防溅射板等熔石英介质中经历非线性增长的传输演变过程,详细分析了高斯型相位波前畸变、熔石英厚度和透镜焦距对终端靶场聚焦系统中的近场光束质量的影响。结果表明,高斯型波前畸变越严重、熔石英厚度越长、透镜焦距越短,近场光束质量越差,中高频增长越多。     

透镜焦距对局域空心光束尺寸的影响

基于衍射理论导出由轴棱锥和透镜系统产生的局域空心光束的光传输公式,模拟了其三维(3D)光强及截面光强分布图。由衍射理论和几何光学方法详细分析了聚焦透镜的焦距对局域空心光束尺寸的影响,即在相同条件下,局域空心光束的尺寸随着透镜焦距的增大而增大。实验得到当焦距分别为50 mm,70 mm以及100 mm时,局域空心光束的径向暗域尺寸为200μm,300μm以及430μm。理论计算、数值模拟与实验结果相吻合。