国外空间激光的发展现状

随着激光技术的不断发展和进步,星载激光系统成为空间信息获取的重要手段,在地形测绘、高分辨率观测、空间遥感、环境监测等领域具有重要的应用前景。回顾了NASA已经发射的空间应用激光系统在火星、水星、地球和月球地形测量上的应用,分析了激光器载荷的性能指标,阐述了正在发展的空间激光应用计划,指出当前的技术难以满足未来的空间激光任务需要,新的任务要求需要新的激光器技术,激光技术未来将会成为空间行星探测的关键技术。最后总结了空间应用固体激光器面临的关键问题及发展趋势。

角锥腔固体激光器相干特性的研究

多光束相干合成是获得高功率、高亮度激光输出的有效途径。首次采用倏逝波理论结合互注入特性揭示了角锥腔固体激光器远场输出为相干合成分布的机理,角锥腔对称部分的激光由于互注入实现锁相,相邻部分由于倏逝波耦合实现锁相,重点研究了固体激光器倏逝波耦合相干的特性。研究表明:锁相效果跟激光阵列排布方式有关,在相同的激光阵列排布方式时,腔长越长,占空比越大,则模式间耦合越强,锁相效果越好,越趋向于同相模输出。理论和实验证明了角锥是一个天然的相干合成元件,角锥多光束相干合成技术具有重要的科学价值。

基于Mie散射理论的紫外光散射相函数研究

本文根据Mie散射理论,研究了四种典型大气条件下紫外光在大气传输中的散射相函数,并与常用的用于非紫外光散射相函数的三类经验公式进行了比较。研究结果表明:三种经验公式用于紫外光大气传输模拟存在一定的局限性。

激光复合损伤机理与效应研究

达到或者超过100 k W的激光输出是激光武器用于反导反卫等战略防御的终极发展目标。基于激光武器发展目标与最新动向,提出了多模式激光复合损伤新思路,即采用不同波长、连续与脉冲、频率变化的激光,同时或交替作用在同一靶材上,获得更好的损伤效果。构建了脉冲/连续激光复合损伤物理模型,并用有限元法进行了仿真模拟,使用2 k W连续激光器与10 J长脉冲激光器开展了损伤对比实验。模拟和实验结果表明,脉冲激光烧蚀金属靶材效果优于连续激光;在两种激光复合或交替作用下出现"非线性雪崩烧蚀"效应,复合烧蚀效果明显优于脉冲激光,烧蚀质量是脉冲激光的13倍。这一效应,为战术激光武器向"合束多模式同轴输出"新体制发展提供了基础。

免调试激光器研究新进展

介绍了免调试激光器的基本概念和广泛应用,总结了国内外关于免调试激光器的研究在实现激光器小型轻量化、多波长输出、改善大能量/高功率激光器光束质量方面的新进展,以及向双角锥棱镜谐振腔方向拓展应用研究的新动向。重点报道了角锥棱镜谐振腔在相干合成领域的最新进展,分别实现了角锥光纤激光器互注入相干合成和基于角锥固体激光器互注入相干合成,为实现高可靠、大能量/高功率、高光束质量激光输出提供了一个有效技术途径。

激光器免温控泵浦源的多波长选择理论

为了实现激光器在一定温度范围内LD泵浦源免温控稳定工作,具有较高并且稳定的泵浦光吸收效率,分析了DPL激光器中LD发射谱和Nd：YAG增益介质吸收谱的特点及匹配问题,据此提出了一种激光器免温控泵浦源的多波长选择理论和方法,同时增加泵浦光吸收长度克服Nd：YAG吸收谱和LD波长失配的不利影响。优化设计了一个波长为802.35 nm@25℃、813.15 nm@25℃和810.95 nm@25℃的三波长LD泵浦方案,计算结果表明：在一定吸收长度下,多波长泵浦光吸收效率可达73.96%,并且在-15.7~65.7℃宽温度波动范围内,激光器输出能量不稳定度优于5%。同时还模拟分析了增益介质吸收长度和掺杂浓度对泵浦光吸收效率的影响。

棱镜腔技术在1.57μm人眼安全OPO激光器中的应用

介绍了棱镜腔技术在1.57μm人眼安全OPO激光器中应用的理论基础、技术方案和实验结果,为高可靠性OPO激光器的研究提供了一种新的思路和方法。通过对角锥腔本征模式的讨论,发现了腔内的偏振特性满足OPO相位匹配条件,获得了内腔式OPO激光器稳定运转;通过对角锥腔退偏输出性能的分析,研究了角锥腔电光调Q外腔式OPO激光器;介绍了正交波罗棱镜腔OPO激光器。研究结果表明,采用棱镜腔技术的OPO激光器是获得高稳定性1.57μm人眼安全激光输出的有效新途径。

两路脉冲固体激光器的相干合成

提出了采用迈克尔逊干涉复合腔技术进行两路固体激光器相干合成的实验方案。该方案利用双光束干涉时的相干相长和相干相消特性,结合谐振腔自身的增益损耗原理来实现两激光器的被动式相干合成。理论分析了该技术的锁相机理,并在实验中实现了两路脉冲固体激光器的相位锁定,获得了单脉冲能量300 mJ的相干合成激光输出,合束效率约为80%。实验表明,采用提出的复合腔技术实现相干合成具有自选择和自调整的特点,且结构简单、合束效率高,很好地解决了多路激光相干合成时遇到的占空比问题,可以实现多路固体激光器的相干合成。

双角锥环形腔退偏效应的理论研究

采用退偏量和退偏相位表征退偏效应,当退偏量很小时,可忽略退偏相位,认为退偏效应很小;利用光学矩阵和坐标转换矩阵,建立了双角锥环形腔退偏量和退偏相位随角锥旋转变化的数学模型,并进行了数值模拟。分析结果表明,双角锥镜像对称排置构成环形腔时,可以在一定的偏振方位角的条件下实现退偏量为0,即无退偏效应;当旋转其中一个角锥小于2.5°时,仍可以得到小于0.09的退偏量;而当双角锥中心旋转对称排置时,退偏效应始终较大。

两路关联光纤激光器互注入锁相实验

基于角锥互注入锁相相干合成方案,利用光纤Bragg光栅(R=85%@1 064 nm)作为两路光纤激光器的共用腔镜,实现了两路光纤激光器相关联,进一步提高了激光的互注入能量。采用外腔结构,较容易实现了两路光纤激光器的能量互注入锁相。在实验上观察到了远场清晰稳定的干涉条纹(可见度超过0.8),获得了功率合成效率约为80%的线偏振相干激光输出。

多光束激光远场干涉实验研究

设计了多组多孔径光阑,将激光扩束后通过自制的多孔径光阑,获得多光束相干激光光源。基于多光束干涉理论,通过改变不同的光阑,得到多组点状阵列分布的远场干涉图样,结果表明远场中心主瓣具有随着占空比减小能量降低、旁瓣增多的分布规律。实验结果表明,相干源呈正三角形分布时能量集中度较好。对高功率激光相干合成具有一定的参考意义。

物理教学中德育教育的探索

在物理教学中,德育往往被教师忽略,随着社会不断的发展又越来越引起广大教育工作者的重视。本文从物理教学内容、物理学史和我国科学上的光荣成就、实验以及教学的日常活动等方法探讨德育渗透,并获得了一定的成效。

连续-脉冲复合激光毁伤金属材料分析与优化设计

战术激光武器具有改变战争形态的潜力,是各军事强国优先研发的新概念武器。以连续激光作为光源的激光武器因较长的打击点驻留时间削弱了其战术应用价值,而连续-脉冲复合激光能够提高毁伤效能,有效应对多种军事目标。建立了连续激光与毫秒激光复合损伤金属材料的理论模型,理论分析了连续-脉冲复合激光与钢板的热力学过程。以0.2 cm钢板为目标靶材,用2000 W连续激光和10 J、脉宽500μs脉冲激光进行复合毁伤模拟。靶材被连续激光照射3 s后出现明显熔池,后被脉冲激光照射产生不超过1.8×10-4 cm3的气化量,带来0.9 N的反冲力,剥离了熔池中的液态钢。建立了毁伤孔径与最低连续激光功率和最小脉冲能量之间的对应关系,可用于指导复合高效激光毁伤系统的设计,避免连续激光在对目标金属过度加热时浪费能量。

战术激光武器反无人机发展现状和关键技术分析

无人机技术的发展和肇事事件的日益增多,对国防和社会安全构成了巨大的威胁,其防控已成为世界性难题。由于常规武器的局限性,难以对其实施有效防御。战术激光武器技术日趋成熟,在反无人机方面具有巨大的优势。文中梳理了战术激光武器反无人机的进展和现状,并对包括高能高功率激光器和光束合成技术的高能激光源、跟瞄发射、高效毁伤三个方面的关键技术进行了分析总结,指出了优缺点,明确了发展方向,为激光防御低慢小目标的发展提供借鉴。

复合激光损伤CMOS图像传感器实验研究

激光是对抗光电侦察的有效方式。为了提高损伤效能,探索了复合激光损伤光电探测器的新思路。分别开展了波长1 064 nm和532 nm、脉宽10 ns的激光及其双波长复合激光,以及波长1 064 nm、脉宽0.4 ms和10 ns激光及其双脉宽复合激光对CMOS图像传感器的损伤效能实验。结果表明,双波长复合激光对CMOS造成严重损伤时的基频光能量是单独1 064 nm激光的77.8%,是单独532 nm激光的62.5%;双脉宽复合激光损伤时,脉宽0.4 ms激光的能量密度降低为单独作用时的1.7%,脉宽10 ns激光的能量密度降低为单独作用时的76.4%。这一发现为多制式复合激光高效光电对抗提供了新的思路和参考。

不同制式脉冲激光冲量耦合效应研究

激光主动清除空间碎片已经成为国际上的研究热点。碎片靶材在高能脉冲激光作用下的冲量耦合效应研究是实现碎片清除的基础和关键。基于单摆法模型的高速摄影测量法分别研究了ns和ms两种不同脉宽制式激光对铝合金小球的冲量耦合系数的变化规律,并从机理上分析了两种制式激光产生冲量耦合系数特性的不同。重点指出ms激光能够产生的单位面积冲量远大于ns激光,可用于清扫空间碎片。提出采用ns与ms的复合激光能够有效提高激光的能量利用率,从而获得更大的冲量耦合系数。为激光清扫空间碎片的研究提供了一条新的思路,具有很强的指导意义。

角锥棱镜相干合成激光器的自适应驱动方法

针对高功率激光器合成效率低、能量不集中的问题,构建基于角锥棱镜腔的相干合成激光器,分析远场合成效率不高的原因,提出光—电闭环的自适应驱动方法,通过反馈调节,克服因线路、器件以及其他电磁干扰等因素造成的不同步问题,提高相干合成效率。实验结果表明,经过自适应驱动的激光器,能显著提高相干合成效率,避免人工调整参数带来的误差,提高了激光器的稳定性和工作效率。

自由振荡激光天基清扫空间碎片机理研究

在绕地轨道上残留着大量的空间碎片,这些人类航天活动造成的太空污染已经严重威胁到太空飞行器的安全。其中,直径在1~10 cm之间的碎片具有致命的潜在危害,是急需解决的麻烦。激光清扫空间碎片也愈来愈引起科学领域的关注,其中天基脉冲激光是清扫这类小型空间碎片的有效技术途径之一。由于现有方案中的天基超短脉冲、超大能量、紧凑可靠的激光器在工程上难以实现,笔者创新提出了自由振荡脉冲激光天基清扫空间碎片的思想与方案。通过模拟分析发现自由振荡激光的脉冲持续时间是其产生大冲量的优势,从机理和效应上与纳秒激光进行了对比,证明了"热金属蒸气反喷"比"等离子反喷"的冲量增量与能量利用率更高。建立了激光消融金属的物理模型,模拟分析得到了当激光功率密度大于5×10^(6)W/cm^(2)时,金属液滴的直径一般不大于60μm的结果,说明了激光清扫空间碎片过程中相伴产生的"微碎片"不会有"次生危害效应",反而能在一定程度上加速碎片清扫。该文为自由振荡激光器在天基清扫碎片的领域应用奠定了基础。

双端输出光纤激光器互注入锁相研究

为了获得高功率、高光束质量相干光纤激光输出,设计了一种双端输出的光纤激光器。两路光纤激光器尾端通过反射率为85%的光纤布拉格光栅连接,有一定的相互关联,利用角锥反射器使其能量相互注入,实现锁相,并利用偏振片分光,实现相干合成输出。实验上,在远场得到了清晰稳定的干涉条纹(可见度约为0.92),获得了8.6 W的相干合成激光输出,对应的功率合成效率约为90%。实验结果表明,该方案结构简单,稳定性好,相干度高,并可用于多路激光相干合成,为实现高功率光纤激光相干合成输出提供了一种新的思路。

脉冲激光沉积功能薄膜的研究进展

脉冲激光沉积技术是制备先进光学薄膜与纳米光学器件的重要手段和前沿领域,是国际研究的热点。介绍了脉冲激光沉积技术原理与特点、制备功能薄膜的研究现状和发展动向,着重阐述了双激光沉积制备功能薄膜的研究现状与未来发展;同时基于更高的需求,针对脉冲激光沉积技术的特点,设计构建了结合动能粒子磁过滤技术的激光沉积系统,提出了融合原子层沉积技术的发展思想,为提高激光沉积功能薄膜性能提供了硬件支撑和技术指导。