高功率激光系统中内光路热变形的仿真及实验研究

为了研究高功率激光系统中的内光路热变形累积效应对光束质量的影响，开展了理论和实验研究。首先，选择三种非稳腔输出的典型高功率激光，激光功率分别为10 kW、50 kW和100 kW，通过热动力学瞬态方法的有限元分析对激光照射的反射镜进行热变形分析。然后，利用光线追迹理论得到激光的波前像差。最终，激光远场光束质量中的Strehl比，因子可以通过Fresnel衍射积分进行计算和对比分析。仿真结果表明，由于内光路反射镜的热变形，远场光束将出现偏心和像散的现象，其中心光强及会聚能力均会下降。随着内光路反射镜的增加，Strehl比减少而因子增加，远场光斑x方向的倾斜、像散及彗差也会逐渐增加，将成为系统的主要像差。为了和上述理论仿真结果进行对比，建立了一个测量反射镜热变形实验平台，实验中采用10 kW的TEA CO2激光器照射99%反射率的铜反射镜，通过等效放大原理，实验结果可以部分代替50 kW和100 kW功率水平。镜面热变形的测量精度小于/15，并和仿真结果吻合得较好。结果表明，反射镜的热变形在激光功率超过10 kW时不能被忽略，且随着激光功率及反射次数的增加，这种热畸变将变得越发严重。所得结果将对高功率激光系统的热畸变分析过程提供指导，并可应用于激光核聚变及激光武器系统等的设计分析中。     

光束控制系统中热效应的数值模拟

编制了四维仿真程序,用以研究光束控制系统中的热效应对强激光传输的影响.作为数值模拟例,用Strehl比、可聚焦能力(即86.5%环围功率半径)、像散参数和光束重心偏移表征远场光束质量,研究了初始场分布为高斯和平顶分布的光束通过光束控制系统传输时热效应对远场光束质量的影响.结果表明,远场光束质量与初始场的空间分布有关,且随发射功率增大而变差.     

海上大气激光传输特性仿真研究

大气光学效应是影响激光器作用效能的重要因素之一。基于多层相位屏法,针对海上大气环境下激光水平传输做了大量数值仿真,通过在湍流相位屏上叠加热晕以及衰减引起的相位变化,综合考虑三者对激光传输特性的影响;分析了不同激光初始功率、不同折射率结构常数、不同能见度以及有无热晕情况下接收面处激光光斑半径,质心漂移均方根和环围功率比的变化规律。仿真结果表明:激光初始功率越强,热晕效应越明显,光斑畸变越严重,光束质量变差;折射率结构常数越大,湍流效应越强,光斑扩展与光束漂移现象越明显,平均功率密度下降,环围功率比增加;能见度越小,激光能量衰减越严重,环围功率比越大;热晕效应会加大光斑扩展程度,增加光束漂移量和环围功率比。研究结果可为海上大气环境对激光器作用效能评估提供一定的理论依据。     

光电子技术与激光基础

0319633窗口效应对高能激光光束质量影响的实验研究[刊]/郭麓//红外与激光工程.—2003.32(2).—134～137(E)选用氟化钙为窗口材料,通过实验验证了高温和应力作用下的窗口对光束质量的影响。选取一种高能激光光束质量的评价方法,对窗口效应引起的光束质量退化在实验中得到了验证。通过处理光束在远场的     

内光路中大气吸收对远场光束质量的影响

采用桶中功率、β参数、像散参数、Strehl比和光束重心位置等参数描述远场光束质量,研究了在内光路中进行气体吸收对远场激光光束质量的影响,并与内光路中有横向吹风存在情况作了比较.用自编四维仿真程序进行了数值计算和物理分析.研究表明,随着吸收系数的减小或风速的增大,远场光束的峰值光强明显增强,可聚焦能力大大提高.但横向吹风会引起像散.     

聚焦光束稳态热晕补偿实验

进行了聚焦光束稳态热晕效应及自适应光学补偿的室内模拟实验观测，获得了在不同热畸变参数情况下，自适应光学系统开闭环时光束远场Strehl比和信标光波前方差的测量结果。测量结果表明自适应光学对聚焦光束整束热晕的补偿效果是显著的。在热畸变参数Nd大于170时，校正剩余波前大差呈非线性增长。在热畸变参数N_d与光束菲涅耳数N_f的比值大于1时，校正后的远场光斑峰值强度随入射功率的增加开始呈下降趋势。     

窗口效应对高能激光光束质量影响的实验研究

选用氟化钙为窗口材料,通过实验验证了高温和应力作用下的窗口对光束质量的影响。选取一种高能激光光束质量的评价方法,对窗口效应引起的光束质量退化在实验中得到了验证。通过处理光束在远场的光斑半径,得出由于窗口的影响,光斑半径变大且增长速率较快的结论,从而证实窗口热效应对光束质量有较大影响。     

在波长1.315μm下的几种激光器窗口热效应比较研究

由傅里叶瞬态导热方程和弹性体应力-应变平衡方程入手，利用分离变量法和热弹性势法建立了晶体窗口在高能激光束照射下的瞬态温度分布、热变形和热应变分布关系式。并同时考虑温度折射率系数、厚度热变形和弹光系统的作用。得到了波长为1．315μm的平面波光束透射氟化钙、氯化钾和熔石英这三种晶体窗口时产生的近场光束相位畸变分布。通过比较发现、窗口光束畸变是热变形、热透镜效应和弹光效应共同作用的结果，热透镜效应占主要因素，弹光效应可以忽略；熔石英具有正的折射率温度系数而产生正光束畸变，氯化钾和氟化钙为负的光束畸变，氟化钙具有最小的相位畸变峰谷值．优于其他二者。适于作为1．315μm波长的窗口材料使用．氯化钾的光束畸变最严重。     

激光重频对脉冲非稳腔TEA CO2激光远场传输特性的影响分析

为了研究TEA CO2激光重复频率对远场光束特性的影响,首先采用有限元方法计算了不同重复频率下反射镜的温度场和热变形分布,然后采用协方差矩阵法对镜面热变形进行了Zernike拟合,最后结合衍射的角谱传播理论和功率谱反演法分析了不同重频TEA CO2激光经过内光路热畸变作用后的远场光束特性。研究表明:在净吸收能量相同的情况下,随着重复频率的增大,反射镜的温度逐渐升高,热变形量逐渐增大,经过内光路热畸变作用后,远场光束的Sr和平均能量密度Ed逐渐减小,参数逐渐增大,光束质量逐渐变差;对于TEA CO2激光,重频为300 Hz的Ed值仅为10 Hz的40%,远场光束的峰值光强下降了43%,光斑展宽了近60%。文中的研究结果为TEA CO2激光发射系统的优化设计提供可靠的依据。     

内光路热效应和像差对远场光束质量的影响

选取桶中功率PIB,Strehl比,β和像散参数wx/wy作为远场光束质量的评价标准,用自编的四维仿真程序就内光路热效应和像差对光束质量的影响作了详细的数值计算和分析。研究表明,离焦、像散和热效应都将导致远场光强分布出现畸变,可聚焦能力降低,光束质量变差。     

Evaluation of the diffraction losses for a single-element diodelaser transmitter in a free-space optical link

The losses in an optical link using a diode laser transmitter are calculated as a function of the size of the transmitter lens and the degree of astigmatic wavefront aberration present in the diode laser output. Unlike previous treatments, this treatment accounts for the correlation between the intensity distribution and wavefront aberrations in the calculation of the Strehl intensity by modeling the laser output as a truncated astigmatic Gaussian beam. Families of curves showing the Strehl intensity versus astigmatism at various truncations are presented. The results can be generally applied in calculating the link losses for any diode laser transmitter whose astigmatic Seidel coefficient or root-mean-square wavefront aberration has been measured. Examples using wavefront measurements of the output of single-element gain-guided and index-guided diode lasers are also presented     

阈值法对激光远场焦斑质量测量和计算的影响

建立了非稳腔激光束通过大气湍流随机相屏传输至远场焦平面上的光斑强度分布模型,并考虑CCD像素单元对激光能量的离散化积分采样及探测噪声的影响,以峰值斯特雷尔比Rs、环围能量斯特雷尔比Ree和光束质量因子β作为评价远场光斑质量的指标,利用蒙特卡罗法研究了在不同信噪比(SNR)和光斑分布形态情况下,采取四种不同阈值去噪方法对远场光斑质量评价参数计算精度的影响。结果表明,足够的测量信噪比是保证光束质量测量精度的前提,在测量信噪比和光斑分布形态给定的情况下,采取阈值为CCD背景噪声均值,同时保留随机噪声起伏的去噪方法是较为合理的选择。     

Optimization in scaling fiber-coupled laser-diode end-pumped lasersto higher power: influence of thermal effect

The optimum mode-to-pump ratio in scaling fiber-coupled laser-diode end-pumped lasers to higher power has been investigated by including the thermal effect into the space-dependent rate equation analysis. The optical path difference (OPD) distribution has been derived as a function of the pump-beam quality, focus position of pumping light, and pump radius at the focal plane under the assumption that the end faces of the crystal are thermally insulated. The diffraction losses arising from thermally induced spherical aberration have been estimated by the Strehl intensity ratio. The present results for the optimum mode-to-pump ratio are markedly different from previous analyses in which thermal effects are neglected. Here, the optimum mode-to-pump ratio is a decreasing function of input pump power, and is less than unity in the case of a slightly high pump power. The practical example of a Nd:YAG laser pumped by a 13-W fiber-coupled laser diode is considered to confirm our physical analysis     

热环境条件下红外窗口气动光学传输效应实验研究

红外窗口导致的气动光学效应将对高速导弹的红外成像制导产生重要影响,文中在等离子体射流中对二维尖劈模型中的石英窗口进行加热,测量了一定射流条件下红外窗口表面温度分布和热流分布;利用径向剪切干涉技术,测量了气动加热条件下红外窗口引起的传输光束波面相位的变化,获得了点扩散函数和斯特列尔比的变化。实验结果表明:热环境下的红外窗口导致传输光束的远场强度发生衰减,能量分布发生扩散,光束的会聚性显著降低。     

腔内扰动对虚共焦腔模式的影响及Zernike像差拟合

为实现高功率或高能激光器输出良好的光束质量和能量,分析了腔内像差扰动对非稳腔模式的影响,采用数值迭代法理论计算了腔内倾斜扰动对无源虚共焦非稳腔输出模式强度和相位分布的影响,并采用Zernike模式法对光束相位进行了像差拟合分解,得到了前35阶像差系数,通过进一步计算得到点扩散函数和环围能量曲线等,从而全面了解输出光束质量.结果表明,对小菲涅耳数虚共焦型非稳腔,腔内倾斜扰动不仅带来输出光强分布的不均匀性,且对相位分布有明显的影响,使相位中的一些高阶Zernike像差如A3,A7和A10等增大.计算结果对研究高能激光器腔内像差校正有一定参考意义.     

高功率激光束光束质量的数值评价方法

为估计１０＾１２Ｗ高功率激光器的光束质量，本文采用最小二乘法对已重构的波前曲面进行球面拟合，得到相对应的无波像差参考波前。利用无波像差参考波前的曲率半径计算出高功率激光光束的衍射角，由有畸变波前与无波像差参考波前的波像差估算出激光束的Ｓｔｒｅｒｈｌ比，从而给出了评价高功率激光系统光束质量的定量结果。     

新型板条激光器的离轴混合腔模场计算

报道了一种新型双板条离轴混合腔激光器。这种激光器结构通过改变传统的冷却方式和采用特殊的谐振腔设计，将使从第一块介质板条高温一侧出射的激光对称地进入另一块板条的低温一侧，从而可对由于温度分布不均匀造成的波面畸变进行一定程度的自校正，减少热效应的影响，可望提高激光器的输出功率和光束质量。利用快速傅里叶变换（FFT）对这种激光器的近场、远场以及相位等模场特性进行了数值计算。分析了波面畸变对输出光束质量的影响，并与常规双板条激光器进行了比较，结果表明这种新型双板条离轴混合腔激光器可以实现一定程度的波面畸变自补偿，从而获得更好的输出光束质量。     

Nonlinear analysis of Y-junction laser arrays

An analysis of Y-junction arrays above threshold is presented. The analysis incorporates nonlinear gain saturation and shows that the gain becomes nonuniform above threshold even if the array is otherwise ideal. The nonuniform, nonlinear gain saturation causes the near field and the radiation patterns to deteriorate with increasing output power. Although the far-field lobe width does not necessarily increase greatly above threshold, the Strehl ratio may decrease significantly depending on the device design. Empirically, it is found that, when the Strehl ratio decreases to approximately 0.7, the second-order array mode attains threshold and both the first and second array modes lase simultaneously. An improved design, whose far-field Strehl ratio remains 0.85 even well in excess of 1 W output power and in which the second-order array mode never attains threshold, is discussed