基于液晶空间光调制器整形的重频100mJ全固态1053nm钕玻璃激光放大器(英文)

介绍了所研发的一台放大纳秒激光脉冲的高光束质量钕玻璃激光放大器。该放大器采用了多级LD泵浦与液晶空间光调制器进行整形相结合的技术,光束传输遵循抑制衍射、主动控制与补偿及空间滤波的原则。在重频为1 Hz时,将注入的3 ns、1 nJ的方形激光脉冲能量放大到115.3 mJ,能量净增益109倍,输出激光的能量分散度小于2%,光束的近场调制度小于1.23:1,远场光斑的角漂移小于9.8μrad,远场光斑的衍射限小于2DL。

用于汤姆孙散射诊断的高重频高光束质量焦耳级Nd:YAG纳秒激光器

基于激光二极管抽运棒状放大器和板条放大器相结合的方式,研制了一台应用于汤姆孙散射诊断的高重复频率、高光束质量焦耳级的Nd:YAG纳秒激光器.激光器采用主振荡功率放大的结构,主要包括单纵模种子、预放大单元和能量提取单元三部分.为了获得高光束质量的激光输出,采用相位共轭技术对激光光束畸变进行补偿.在重复频率200 Hz,单纵模种子注入单脉冲能量8.23μJ的条件下,获得了1.85)的能量输出.输出激光的脉冲宽度为5.36 ns,远场光斑为1.72倍衍射极限,能量稳定性(RMS)为1.3%.

用于空间碎片探测的百赫兹3.31 J高光束质量全固态Nd:YAG激光器

基于激光二极管侧面抽运棒状放大器的方式,研制了一台应用于空间碎片探测的高重复频率、高光束质量焦耳级的Nd:YAG纳秒激光器.激光器采用主振荡功率放大的结构,主要包括单纵模种子、预放大单元、受激布里渊散射相位共辄光束控制单元和能量提取单元四部分.在能量提取单元,为了减小热效应对光束质量的影响,降低了放大器的工作电流,采用了分束-放大-合束的方案.在重复频率100 Hz,单纵模种子注入单脉冲能量10.73μJ的条件下,获得了3.31 J的能量输出.输出激光的脉冲宽度为4,58 ns,远场光束质量为2.12倍衍射极限,能量稳定性(BMS)为0.87%.

LD端面泵浦Nd:YVO_4激光器热管理结构的研究

基于一种LD端面泵浦Nd:YVO4激光器,设计了一种热沉结合外部风扇散热的风冷式热管理结构,并利用有限元分析方法对Nd:YVO4晶体的温度场进行了数值模拟,分析了环境温度及界面热阻变化对晶体热致效应的影响。模拟结果表明,晶体泵浦区的温度梯度约为17℃,当环境温度升高时,所设计的冷却方案仍能满足系统的散热需求。在此基础上,介绍了一种高效率、小型化风冷调Q激光器的实验装置和实验结果,在泵浦功率为30W时,获得了连续输出功率为14.2W的1064nm基模激光输出,同时,在10kHz重复频率声光调Q下,得到6.53W的准连续基模激光输出。总体光-光转换效率达47.3%,输出激光功率稳定性高,尤其适合工业加工集成应用。

用于惯性约束核聚变激光驱动器的激光二极管抽运Nd,Y:CaF_2激光放大器的实验研究

对Nd,Y:CaF_2晶体作为激光放大器的增益介质进行了报道.研制了一台采用激光二极管面阵五向水平侧面抽运Ф5 mm×70 mm Nd,Y:CaF_2的激光放大器,对其进行了实验研究.测量了Nd,Y:CaF_2晶体的吸收谱、发射谱、以及放大器的荧光分布.在相同的抽运功率下,测量了Nd,Y:CaF_2与Nd:Glass放大器分别工作在10 Hz和1 Hz重复频率时的小信号增益,在抽运功率为9.63 kW时,Nd,Y:CaF_2放大器的小信号增益达6.12,为Nd:Glass的1.5倍.与Nd:Glass相比,Nd,Y:CaF_2晶体的重复工作频率不仅大大提高,而且增益性能也更强.测量了种子光和经Nd,Y:CaF_2放大器后的光谱,能量放大前后光谱几乎无变化.

LD抽运钕玻璃薄片放大器热管理结构

基于传热学基本理论,借助有限元分析方法,对LD端面抽运钕玻璃薄片激光放大器激光介质的瞬态热效应进行数值模拟.通过对不同边界条件下钕玻璃薄片内部温度场及应力场的分析,研究了LD端面抽运钕玻璃薄片的热效应特性,并对比了不同热管理方案下钕玻璃薄片的温度分布.结果表明:采用白宝石窗口结合外围热沉TEC制冷的冷却方案最佳.此种冷却方案下钕玻璃薄片内最高温度在非抽运面中心处,约120℃.虽然比直接对抽运面水冷方式的冷却效果稍差,但是可以避免抽运面直接水冷所引起的一些问题.相关研究结果也表明,由于钕玻璃热阻较大,即使加强径向散热,抽运区的热量仍然难以从径向疏散,对热管理方案进行优化时应该考虑从尺寸较小的轴向进行散热.

受激布里渊散射相位共轭镜在高功率纳秒激光器中的应用进展

受激布里渊散射(Stimulated Brillouin Scattering,SBS)是一种光学三阶非线性效应,其反射光具有相位共轭特性,在振幅、相位、偏振方面与入射光呈现时间反演关系,并保持与入射光相同的波前。在主振荡功率放大(Master Oscillator Power-Amplifier,MOPA)结构的纳秒激光器中,激光放大器中的热效应及光路中大量的光学元件使传输光束存在严重的波前畸变,在恶化光束质量的同时也限制了功率进一步提升的可能性。在此类激光器中使用基于受激布里渊散射的相位共轭镜(Stimulated Brillouin Scattering Phase Conjugate Mirror,SBS-PCM),使光束往返通过引入严重波前畸变的激光放大器能够实时补偿畸变,从而优化激光器的输出光束质量,并有利于功率的进一步提升,进而促进纳秒激光器向着兼顾高功率和高光束质量的方向发展,因此在高功率纳秒激光器中得到广泛应用。文中首先从理论方面简要介绍了SBS-PCM的基本原理及其相位共轭特性,其次对比了不同SBS-PCM介质的特点及适用范围,概述了国内外机构对SBS-PCM的研究进展及高功率纳秒激光器中SBS-PCM的典型应用情况及发展历程,并最终对SBS-PCM发展趋势进行了展望。

基于MgO:PPLN的高重频、高峰值功率中红外光参量振荡器

报道了一种基于周期性极化掺氧化镁铌酸锂晶体(MgO:PPLN)的高峰值功率、纳秒宽调谐中红外光参量振荡器(Optical parametric oscillation,OPO)。采用重复频率30~50 kHz、脉冲宽度小于4 ns的高光束质量1064 nm基频光泵浦基于极化周期为29μm MgO:PPLN的OPO,当MgO:PPLN温度为80℃时获得30 kHz、脉宽1.19 ns、峰值功率48.45 kW的3.93μm激光输出。在MgO:PPLN温度区间为50~200℃时,中红外调谐输出波长为3.77~3.96μm。根据实验结果分析讨论了不同重复频率下转换效率的特点、温度调谐特性与理论分析的一致性。

二极管叠阵侧面折返泵浦多边形薄片激光器

本文报导了一种二极管叠阵侧面折返泵浦的多边形薄片Nd:YAG激光器,通过对其增益特性和光学特性的优化,得到了泵浦光耦合效率为97%,增益介质吸收效率达87%,增益介质内泵浦吸收分布均匀性为3.21%(root mean square,RMS)的结果.实验测得与模拟数据吻合较好的增益介质荧光分布.在泵浦能量为2.2 J时,获得了能量0.85 J的激光输出,光-光效率达38.8%,斜效率为40.1%.在1 Hz~100 Hz的频率范围内输出能量保持稳定,在重复频率1 Hz时测得单脉冲能量稳定性为2.7%(RMS),在稳腔下测得激光衍射极限倍数b约为10.

LDA侧面Zigzag泵浦多边形薄片激光放大器模拟与实验研究

介绍了一种激光二极管叠阵(LDA)侧面Zigzag泵浦多边形薄片激光放大器构型,采用三维光线追迹方法进行了详细的模拟仿真,优化设计了此放大器系统的泵浦耦合结构,主要研究了多边形增益介质的掺杂离子浓度与侧面切角对介质内部泵浦光分布的影响。在晶体厚度1.5 mm、端面口径16 mm的条件下,侧面切角在35°~65°,Nd^(3+)掺杂浓度为0.20 at.%~0.30 at.%时,模拟仿真中Nd:YAG多边形薄片对泵浦光的吸收分布较均匀,泵浦光分布均匀性均优于0.1,同时在实验中得到了平顶的荧光分布和增益分布。介质内储能的均匀平顶分布有利于实现高功率高光束质量的激光输出,为侧面Zigzag泵浦多边形薄片激光器系统的设计与进一步实验提供了重要参考。

国产高可靠高功率纳秒绿光激光器的新进展

空间碎片已对航天事业甚至国家安全构成极大威胁[1,2].激光探测技术是空间碎片精密测量最直接有效的手段,探测原理遵循雷达方程,因而对于特定的激光测距系统,望远镜口径、光学传输效率、探测器效率等已基本固定,提高激光器性能成为提升探测成功率的最根本途径.高功率纳秒激光器作为空间碎片探测系统的核心光源,激光重复频率和峰值能量密度决定了探测距离和精度,尺寸影响系统集成化程度.

高效双端泵电光腔倒空Nd:YLF1053nm激光器

采用150 W光纤泵浦模块双向端面泵浦Nd:YLF晶体,使用Zemax光学设计软件,设计了使泵浦光成像比例为1.0∶1.5的4片式耦合光学系统,并利用高速RTP晶体电光腔倒空技术,得到了短脉宽、高稳定性和高光束质量的1 053 nm激光输出。当重复频率为1 Hz、注入能量为32 mJ时,输出脉冲宽度为2.5 ns、能量为6.5mJ和均方根(RMS)为1.13%的高光束质量脉冲激光。在重复频率200 Hz、注入平均功率为13.1 W时,输出的激光脉宽为2.5 ns,平均功率为2.2 W,光-光转换效率为16.8%,光束质量因子M2x为1.04、M2y为1.05。

LDA侧泵Nd玻璃的高光束质量激光放大器研制

研制了一台高光束质量、高稳定的基于激光二极管阵列(LDA)侧泵Nd玻璃的纳秒方形激光脉冲放大器。为了获得较高的输出能量,采用LDA泵浦的"串联式双程放大"高增益组件进行能量放大。同时,为了获得高光束质量的光斑,利用液晶空间光调制器(LCSLM)对光束近场分布进行空间整形,以便得到超高斯平顶分布的光束,并对后级放大器增益不均性进行预补偿,最终得到了光束口径为Φ13mm、光束近场调制度小于1.22∶1的激光输出。放大器工作波长为1 053nm,当注入500nJ的3ns方形激光脉冲时,得到无脉冲畸变激光脉冲能量为100mJ、能量不稳定度为2.14%(均方根)和远场角漂移小于11μrad的高光束质量激光输出。

超高斯平顶分布光束空间整形技术研究

高能激光器为了获得高光束质量的方形超高斯平顶分布的激光输出,需要对注入的高斯激光脉冲的几何轮廓和强度分布进行空间整形。数字微镜器件(DMD,digital moero-mirror device)是一种性能优异的、基于数字调制的空间整形器件,具备对比度高、分辨率高和抗干扰能力强等优点,非常适合高能激光器高电磁干扰的工作环境。基于DMD,研究了光束空间整形的算法和实验研究。通过二次整形,光束近场调制度(光强的最大值比平均值)由一次整形后的1.85∶1下降到1.33∶1,改善了28.1%,能量损耗为35.7%;并且,二次整形后的光束具有极强的稳定性,在写入整形光阑不变的情况下,输出光束近场调制度的分散度仅为1.77%,降低了环境的变化、"噪声"的随机分布对光束强度分布的影响。

液晶空间光调制器Gamma曲线的线性化调试算法及其对光束整形的影响

在惯性约束聚变(ICF)驱动装置中利用液晶空间光调制器进行激光束的实时、可调控光束空间整形时,Gamma曲线呈线性变化有着重要意义。针对现有调整Gamma曲线呈线性变化的方法费时费力、效果不理想的现状,提出了一种新的调整方法,即依靠Lagrange插值将横坐标为灰度值、纵坐标为功率值的离散点拟合得到曲线方程,然后利用Bolzano二分法求得该曲线方程上与目标Gamma曲线中灰度间隔为1的功率值对应的新灰度值,将新、旧灰度值逐点替换使Gamma曲线呈线性变化。将其应用到大型高能量激光放大装置的光束整形中,得到近场调制度较低且长时间保持稳定的超高斯平顶光束。

70倍高增益激光二极管阵列侧面抽运钕玻璃放大器

对侧面抽运模块的抽运结构进行了优化,采用漫反射腔设计,利用3个激光二极管阵列(LDA)旋转对称抽运尺寸为Ф2mm×75mm,掺杂原子数分数为4%的钕玻璃棒。钕玻璃棒两端面镀有在1053nm高透率为99.8%的增透膜,为消除放大的自发辐射(ASE)光振荡,钕玻璃两端面采用1.5°倾角设计。放大器采用集体制冷,产生的热量由在热沉中流动的去离子水带走。能量10μJ,工作频率1Hz,脉冲宽度3ns,输出波长1053nm的种子激光经过钕玻璃放大器后,在抽运功率为8.2kW,抽运脉冲宽度为400μs时达到了70倍的稳定高增益,放大器的荧光分布均匀,脉冲波形图放大后无畸变。

大型复杂激光器中空间滤波器的在线监测

设计了一种用于大型复杂激光器的紧凑空间中实现在线监测光是否恰好通过空间滤波器小孔光阑中心的检测方法。紧贴空间滤波器小孔光阑上方的窗口片胶合一棱镜,使置于CCD前的LED发出的光经棱镜后照射到小孔光阑,反射回的图像由CCD接收,从而实现在线监测。分析了所需棱镜应满足的条件:棱镜尖角到小孔光阑中心的垂直距离不小于4 mm,棱镜的角度应尽量小以致照射小孔光阑的出射光尽可能平行。并利用光学设计软件Zemax模拟了加入棱镜后的光路,合理的棱镜参数为角度55°,两直角边分别为10 mm和14.3 mm。实验验证了所设计方法的高效可行性。

重复频率100kHz,平均功率2.5W的皮秒脉冲再生放大器

报道了采用RTP晶体作为电光晶体、激光二极管(LD)端面抽运Nd∶GdVO4晶体的锁模皮秒脉冲再生放大器。利用ABCD矩阵优化激光腔几何参数,实现最佳皮秒种子模式与再生模式匹配。在抽运功率7.5 W时,获得了脉宽为12 ps,峰值功率为2.08×106W,重复频率为100 kHz的锁模皮秒激光。光光转换效率达33.3%,能量增益7.67×103倍。TEM00模输出,光束质量因子M2≤1.2,长期稳定性均方根值小于3%。

大发光面积激光二极管堆栈抽运结构

由于半导体激光器(LD)在快轴和慢轴两个方向上发散角的不一致和耦合结构的缩束作用,从耦合结构输出的抽运光在经过空间传播后会发生劣化而降低效率。而通过调整激光二极管抽运堆栈结构中激光二极管阵列(LDA)的排布方式,可以改善耦合结构出口后一定距离处光场的空间分布,从而更好地保证抽运光与信号光的匹配。在通过对耦合结构出口的光场追迹分析后,得到了激光二极管堆栈(LDS)排布结构对耦合结构出射光空间分布特性的影响。通过某工程的实验验证,得到了良好的输出光斑和接近90%的传输效率。

基于数字微镜的并行激光共焦显微检测技术研究

为了对微纳加工工件进行三维形貌测量,建立了基于数字微镜的并行激光共焦显微检测系统。首先,利用衍射光学对数字微镜的夫琅禾费衍射模型进行了研究。接着,利用数字微镜实现扫描像素单元为2×2,周期为T=3的并行扫描模式。然后对三维图像重构算法和激光散斑匀化进行了分析。最后,利用该系统分别对镀膜平板、WSZ位置灵敏阳极探测器以及螺钉进行了三维测量。实验结果表明,在轴向平移台步距为10nm的条件下,该系统能准确重构出样品三维形貌。该共焦显微检测方法能大大提高共焦扫描速度,能很好地满足一般工业检测需求,本文为并行共焦检测技术提供了一条新的研究和应用方法。