高能激光系统中的二维快速控制水冷反射镜的结构

在高能激光系统中,对发射的高能激光束的光束质量进行精确控制十分重要。本文介绍了一种应用于高能激光系统中的新型二维快速控制水冷反射镜,既可实现精确控制激光发射和接收光轴的方向,对光束整体倾斜方向进行校正,又可实现减小镜面热畸变提高光束质量的功能。该反射镜具有质量轻、转动惯量小、行程小、谐振频率高、响应速度快、动态滞后误差小等优点。试验测试结果表明,二维快速控制水冷反射镜的设计合理,具有应用推广价值。     

倾斜镜系统动态耦合数学模型的建立方法

主要探究了在传感器采样频率较高(如高速相机、位置传感器)、倾斜镜动态特性不可忽略的情况下,如何基于实验数据建立开环倾斜镜系统的动态耦合数学模型的问题。分析了系统的动态特性以及输入与输出之间的耦合,提出了基于倾斜镜系统的输入输出数据、采用子空间辨识算法建立倾斜镜系统动态耦合数学模型的方法,并通过实验评估了模型的准确性和建模方法的可行性。实验结果显示,通过该方法所建立的倾斜镜动态耦合模型的VAF值达到95%,模型准确性相比传统的静态模型有了很大提高,验证了建模方法的可行性。研究成果可用于闭环倾斜镜系统优化反馈控制器的设计,提高系统对于光束偏移矫正的性能。     

基于液晶空间光调制器的光束偏转控制

液晶空间光调制器(LCSLM)通过实时调制波前倾斜实现光束偏转,与传统的快反镜相比,具有非机械调制、体积小、功耗低、轻巧灵敏等优点,可应用于空间光通信中。简单介绍了液晶实现光束偏转的原理,并测试了LCSLM的调制特性,根据调制特性设计基于LCSLM的光束偏转闭环系统。实验结果表明LCSLM能有效地抑制光束抖动,使相对误差小于±1.75%。分析了LCSLM的衍射效率对于光束质量的影响及液晶响应速度、系统传输时延和算法复杂度对控制系统带宽的制约。     

大口径快反镜面形测试系统设计

大口径快速反射镜（快反镜）常被应用于空间光通信和激光武器等领域。为实现工作状态下大口径快反镜面形误差的实时检测,设计了大口径快反镜面形测试系统。该系统的口径参数为400 mm,工作波长为633 mm,由离轴式前置扩束系统和焦面附件系统组成。对测试系统的设计参数及元件参数选择进行了阐述,设计和仿真了光学系统结构,并基于光机热集成分析获得温度变化对光学系统的影响。测试大口径快反镜面形测试系统后结果表明该系统可实现实时记录和高精度测量,且在温度变化的工作环境下也可实现稳定测量,其测量稳定性为0.048λ（RMS,λ=633 nm）。     

提高声光偏转器空间分辨率的方法研究

由声光偏转器件（AOD）和四像限探测器（QD）组成的闭环光束跟瞄系统与以往的快速反射镜（FSM）和四像限探测器组成的跟瞄系统相比，具有带宽高、功耗低、重量轻、体积小、重复性好和控制简单可靠等优点。然而，随着控制光束偏转的超声波频率变化的加快，单声光偏转器件（SAOD）的空间分辨点数会随之下降，影响光束控制的精度。提出了一种新型的快速、非机械、高精度光束偏转方法，采用二级声光偏转器件（DAOD）进行光束控制，与一级声光控制器相比具有更快的光束控制速度，更高的空间分辨点数和更宽的扫描范围，可以显著提高光束跟踪的速度和精度。同时还提出了一种求静态和动态分辨点数的方法，并与实验数据进行了比较、分析。     

新型高功率激光加工用激光光束展宽方法的探索性研究

探索性地提出了一种基于新型扇形类抛物面聚焦镜的高功率激光加工用激光光束的展宽方法,并对该方法的实现原理和光路设计进行了研究与相关实验验证。根据几何光学原理,采用光线追迹的方法,对实际激光光束经新型光束展宽系统变换后的聚焦特性进行了分析。理论结果表明,通过光束展宽系统变换后,能够将原始圆形激光束连续扫描展宽为光强分布均匀的大尺寸(20~500 mm)弧形条状聚焦光斑。利用横流CO2激光器,对该光束展宽系统的实际光学变换特性进行了初步实验研究,实验结果与理论结果相符合。     

用于深空探测快速反射镜的电磁驱动

为了实现深空探测系统对成像光束的高速和高精度控制,以?50 mm×4 mm的单晶硅反射镜作为负载,采用理论和仿真分析相结合的方法,对音圈电机驱动的快速反射镜进行了理论分析和实验验证。给出了该快速反射镜的一般构成、工作原理及数学模型,采用有限元法分析计算了音圈电机线圈、永磁体和气隙尺寸对驱动力矩的影响,最后设计、制作了快速反射镜样机,并进行了测试。结果表明,快速反射镜的转角范围大于±1°,带宽(3 dB)大于500 Hz。该研究结果有助于推广光学快速反射镜在深空探测、激光通信、光电对抗等领域的应用。     

星载激光测高的半导体泵浦全固化激光器设计

星载激光测高系统以独特的应用背景而备受关注,其整体性能对关键件激光器的技术参数提出了高需求。分析了500 km轨道高度星载激光测高模型对激光器的技术指标需求,并在此基础上对LD泵浦全固化激光器进行了优化设计和实验研究,采用了侧向半圆柱面LD阵列与热沉交错分布的泵浦几何,实现了整体上的增益和热传导均匀效果,采用角锥棱镜高斯反射率镜谐振腔选取低横模结构,获得了高机械稳定性,高热稳定性和高光束质量激光输出,设计样机重复频率30 Hz,单脉冲能量66.2 mJ,脉冲宽度6.056 ns,稳定性优于3％,光束发散角0.6 mrad,光轴指向近乎零漂移,满足了星载激光测高应用。     

光纤激光非相干合成效果分析

为了研究光纤激光的非相干合成特性, 建立了圆环状排布的光纤激光阵列光束合成模型, 模拟分析了单元光束束腰半径w₀、波前畸变和光束间距对非相干及相干合成远场光束质量的影响。讨论了多路激光平行性对非相干合成效果的影响, 并进行了相关实验验证。结果表明, 单元光束无波前畸变时, 当光束间距为d₀=2.8w₀时, 非相干与相干合成光束质量相等; 单元光束存在波前畸变时, 光束间距有所减小, 这是因为波前畸变对非相干合成影响更小; 对于非相干合成, 随着多路激光之间不平行度的增大, 非相干合成光束质量逐渐变差, 并且单元光束质量越好, 对多路激光平行性要求越高。该研究可为实际光纤激光合成系统设计分析提供参考。     

用于油井激光射孔的10 kW激光19×1空间非相干合束

激光射孔是油井完井工程领域一项具有前瞻性的技术,对提高石油资源采收率具有重要的应用价值。为提高油井激光射孔所使用的激光功率和激光传输的安全性,利用19台光纤传输972 nm半导体激光器实现了10 kW级激光空间非相干合束。通过分析参与合束的准直激光束的半径、间距与合束激光的光斑重叠率之间的变化规律以及模拟合束激光横截面能量分布,完成激光空间非相干合束器的结构设计。在300 mm的合束长度内实现了具有单一光束形态且最大合束功率达到10.441 kW、焦斑直径21 mm、线宽2.46 nm的空间非相干合束激光输出,合束效率达到98.2%。利用10 kW空间非相干合束激光完成了针对砂岩和钢板的地面激光射孔实验,射孔深度分别达到570 mm和70 mm。     

High-power two-dimensional waveguide CO2 laser arrays

A two-dimensional, 39 element array of waveguide carbon dioxide lasers has produced a total CW laser power output of 750 W, using RF excitation of a compact, close packed assembly. Thermal effects associated with close-packing in the array are evaluated in terms of discharge wall temperature rise and cavity mirror distortion. The array elements are shown to have a 30% power derating relative to a single isolated laser channel, caused mainly by internal temperature rise. Mirror distortion and waveguide constructional errors do not degrade the beam quality of the array emission, which matches the theoretical value. However mirror distortion is shown to be responsible for a large spread in laser frequency between channels in the array. Based on the results, prospects are good for the construction of larger, multikilowatt incoherent arrays     

A double-ended, unstable resonator submillimeter laser

The characteristics of a pulsed, methyl fluoride laser utilizing a novel, double-ended unstable resonator are described. The design incorporates an intracavity, double-faced scraper mirror to produce separate input/output ports for CO2pump laser excitation and submillimeter laser output. Experimental results show that this configuration achieves state-of-the-art conversion efficiency and diffraction-limited beam quality.     

激光准直特性在主动式激光侦察告警系统设计中的应用探讨

探讨了主动式激光侦察告警系统入射高斯光束腰斑与望远镜副镜的距离对出射高斯光束准直倍率的影响.在满足入射高斯光束腰斑与望远镜副镜的距离远大于望远镜副镜的焦距的条件下,望远镜主镜的焦距与望远镜副镜的焦距的比值越大,出射高斯光束的准直效果越好.在不满足入射高斯光束的腰斑与望远镜副镜的距离远大于副镜的焦距的条件下,仿真分析了望...     

基于车载平台的快反镜光轴稳定技术

为了满足车载平台光轴稳定的应用需求,采用压电陶瓷作为驱动器对快反镜进行了结构设计,将其作为仿真模型对快反镜进行了模态分析和力学仿真,并对结构进行了优化设计。采用高帧频相机探测的质心位置作为反馈信号,利用现在可编程门阵列进行高速图像处理,研制出适用于车载平台的光轴稳定快反镜。对快反镜的性能参量进行了全面测试,并参与了集成联调试验。结果表明,该快反镜的分辨率约0.4μrad,闭环带宽大于100Hz;三级公路上,汽车以40km/h行驶过程中,在无人值守模式下,由总控对快反镜进行控制,与开环相比,闭环后光轴x轴抖动均方根减小3.6倍,y轴减小2.1倍,20Hz以内的光轴抖动抑制效果明显,取得了较好的试验效果。该系统具有高带宽、高精度及高稳定性的特征,对车载平台的光轴稳定起着重要作用。     

Monolithic two-dimensional GaAs/AIGaAs laser arrays fabricated by chlorine lon-beam-assisted micromachining

Chlorine ion-beam-assisted etching (IBAE) has been used to micromachine laser facets and deflecting mirrors for monolithic two-dimensional GaAs/AIGaAs laser arrays. Three laser cavity/deflector designs have been successfully implemented. The first utilizes a parabolic deflecting mirror to directly focus the laser radiation; the second consists of a folded cavity with a vertical facet, a top surface facet, and an internal 45° reflector; and the third has a folded cavity with an internal Al_0.2Ga_0.8As/Al_0.8Ga_0.2As dielectric mirror stack and a top surface facet formed in a single etch step with two internal 45° reflectors. The parabolic deflecting mirrors are currently modeled forf- 0.8 collection efficiency, making the first design attractive in incoherent arrays for high-power applications such as pumping Nd:YAG lasers. The other two structures are of interest for incoherent or coherent arrays used in high- and medium-power applications, since the top surface facets can easily be antireflection coated. The design with a dielectric mirror stack is particularly simple to fabricate.     

Design of SMMW Laser Resonators with On-Axis Signal and Pump Beam Guiding in a Mirror Ring

A ring resonator design for optically pumped submillimeter wave (SMMW) lasers using the same set of four mirrors (including one focussing mirror) for pump beam and SMMW beam guiding is introduced. The optimum design is discussed on the example of a 2.523 THz methanol laser. It turns out that the focal length of the focussing mirror has to be adapted to the resonator perimeter. Eleven well suited focal length - resonator perimeter ratios, defining eleven standard resonator configurations, can be distinguished. The setup of an experimental laser with the optimized resonator and the experimental setup to measure laser performance are described, and results concerning laser output power, beam quality and efficiency are discussed. This paper is the extended version of the paper presented on the 23rd International Conference in Colchester [1] and continues a former article presented in this journal [2].     

大口径高通量验证实验平台的三倍频能量测量

为了完成大口径高通量验证实验平台建造初期的三倍频能量测量,采用凹面镜缩束方式取样的方法,利用新型玻璃吸收元件完成光束的滤波,实验测试了新型玻璃吸收元件对测试结果的影响。结果表明,采用新型玻璃吸收元件可以获得干净的三倍频光,剩余基频、二倍频光的影响在0.4%左右,整个三倍频能量测量的测量不确定度可以控制在5%以内,保证了激光装置能量测量的可靠性。     

基于超磁致伸缩材料的高速倾斜镜的设计与应用

在目标跟踪系统中,由于大气湍流的影响导致光波振幅和相位起伏。为了提高跟踪性能,降低大气湍流造成的光斑倾斜成为了首要目标,而高速倾斜镜（FSM）则是达成这一目标的关键器件。文中介绍的高速倾斜镜利用超磁致伸缩材料（GMM）作为位移驱动元件,通过线圈的电流产生磁场控制材料的伸缩,从而驱动倾斜镜的偏转。该倾斜镜已经被应用于激光大气传输倾斜校正系统中,使湍流造成的倾斜减少了90%,光斑稳定度和光斑质量得到了明显提高。     

机载软杀伤光源光纤激光组束方法的选择

简单介绍了光纤激光相干和非相干组束方法,理论上分析了非相干和相干组束的光纤个数.结果表明,非相干组束方法可以实现几百根光纤激光的合成,组束功率可以达到10kW量级,而相干组束方法只能实现大约10根光纤激光的合成.显然,非相干组束方法是实现机载软杀伤激光光源的理想选择.     

激光通信APT系统中快速反射镜研究

快速反射镜(FSM) 凭借其高精度、高带宽、高分辨率等优点,已经成为激光通信中捕获、瞄准和跟踪(APT)系统的关键组成部分。本文介绍了国内外研究机构所研制多种类型FSM。首先介绍国内外FSM的发展历程和研究重点,然后,对FSM的支撑类型、驱动类型和各种位置检测元件的选择及设计进行了讨论,得到不同的支撑结构、驱动类型和位置检测元件对FSM各性能指标的影响趋势。最后,通过对各种类型FSM进行归纳总结,提出了激光通信APT系统中FSM向大行程、高精度和高带宽等方向的发展趋势。