TEA CO_2非稳腔激光器远场光束质量的评价

研究了对虚共焦非稳腔结构的脉冲TEA CO2激光器远场光束质量进行评价的方法。首先将稳腔TEA CO2激光器加工改造成非稳腔结构;然后从实际设计加工的数据出发,用3种常用形式对其远场光束质量进行理论评价与分析,并与设计的2 kW非稳腔激光器的实测远场光强分布实验结果进行了对比。理论和实验结果表明,非稳腔能够获得接近衍射极限的高质量单模光束,β因子是稳腔的4倍多;在同等功率水平下,采用非稳腔的激光器的远场功率密度是稳腔的19倍;非稳腔较小的遮拦比能获得远场较高桶中功率。实验表明,要全面地预测和评价所设计非稳腔激光器的光束质量,需要根据实际,综合地运用3种形式的理论评价体系。

高功率激光系统中内光路热变形的仿真及实验研究(英文)

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,β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β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50kW和100kW功率水平。镜面热变形的测量精度小于λ/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。

高功率半导体激光对光学元件损伤特性

为研究880 nm高功率半导体连续激光器对光学元件的损伤特性,选择了K9玻璃、ZnSe晶体和无氧铜进行镀膜加工,形成高反射率和高透过率的光学元件。通过调节到达光学元件表面的平均功率和改变光斑大小来改变光学元件表面的功率密度,并连续照射30 s,最终通过显微镜来观察元件的激光损伤形貌。研究结果表明:镀高反膜的K9玻璃在功率密度达到600 W/cm2时,膜系表面出现烧熔现象,当达到1 000 W/cm2时出现炸裂现象,而无氧铜基底镀金反射镜在上述功率密度下未发现损伤;而镀增透膜的ZnSe晶体在激光功率密度高达1 000 W/cm2时,通过显微镜观察没有发现明显的损伤,热像仪显示基底温升为5℃。

中波红外固体激光器的指向监视系统

高重频3~5μm中波红外固体激光器由于其多方面的潜在应用而受到了广泛的重视，但由于其本身固体激光的特性，在传输过程中难免受到本身腔体温度梯度及外界环境振动的影响，而产生指向上较大的抖动和漂移，难以用于对指向精度要求较高的场合，需要在激光器出口处加入监视对准系统来抑制激光指向的抖动和漂移。因此，拟采用两种不同的探测器（四象限探测器和热释电探测器）作为此种激光器的监视对准元器件，对其在监视对准系统中的性能进行了对比试验分析。结果表明：两种监视系统得到的激光指向抖动的P-V值都在9″左右，热释电探测器的指向监视误差为5.39″。四象限探测器相比于热释电探测器具有更高的响应带宽，而热释电探测器由于基于图像的方法更加直观，因此，对于中波红外激光器而言，可以根据实际使用需要来选择相应的探测器以搭建指向监视系统。

HF/DF化学激光器的研究进展

HF/DF激光器作为光电对抗设备的中波红外备选光源受到研究者的普遍关注。本文对HF/DF激光器几十年的发展进行了回顾和分析,并在此基础上对其未来的发展方向进行了预测和探讨。

大功率TEA CO_2激光器非稳腔的设计与实验

为在不降低传统稳腔高功率TEA CO2激光器功率的基础上,改善其光束质量。本文基于原有的稳腔激光器,设计了3组望远镜虚共焦腔镜。给出了完整的设计过程并进行了理论分析,同时对不同组的非稳腔激光器进行了对比实验。结果表明,非稳腔能够在保证高单脉冲能量的基础上极大地改善激光器远场发散角,其中最佳腔镜组合能够获得单脉冲能量13.7J,发散角1mrad(稳腔为2.4mrad),激光脉宽50ns(稳腔为98ns)。改进的设计方案为TEA CO2激光器应用于激光制造领域奠定了基础。

光电对抗技术研究进展

经过多年的发展,光电对抗技术已经成为一项专门的综合技术,特别是在激光出现以后,由于其单色性好、亮度高和方向性好等特点,已经成为光电对抗的发展主流。激光致眩、致盲甚至毁伤探测器已经成为光电对抗研究领域的热点问题,在过去的十多年里得到了许多国家的普遍重视。本文对光电对抗的历史进行回顾,并对未来高能激光器应用于光电对抗领域所遇到的挑战进行展望。

光电对抗用激光器技术

激光器技术在最近几年发展迅猛,各种规格的激光源是各种军民两用光电设备的关键部件之一。在定向能激光武器中,不断进步的激光器技术大大提高了系统的作战效果,如提高了作战距离和打击精度。现代固体激光器技术由于具有较高的光电转换效率和较小的重量体积,已经成为了光电对抗用的理想光源。然而,任何系统的最终性能还受不同子系统相互配合的限制,对于激光系统评价的关键性能参数还要归结于"到靶有效激光能量密度"。本文对光电对抗用激光器技术进行了回顾,同时讨论了激光器用于光电对抗系统所必备的技术条件,以便激光器和整个系统能够具备较好的兼容性,从而能够最大化地利用激光源所发出的能量。

化学氧碘激光器(COIL)的研究进展

化学氧碘激光器(COIL)作为继HF/DF化学激光器以后的第二代气流化学激光器具有诸多优点,如比第一代更短的波长和更高的光纤传输效率,因而在军事、工业和医疗等许多领域都有重要的应用,在过去的十多年来得到了各国专家的普遍重视。本文将对化学氧碘激光器几十年的发展进行一定回顾和分析,并在此基础上对其未来的发展和所面临的技术挑战进行了探讨。

CO_2激光对长波红外HgCdTe探测器干扰的分析

激光干扰是对抗精确制导武器、保卫己方目标的重要方式.针对高功率CO2激光对某光导型长波红外HgCdTe探测器的干扰损伤进行了理论分析与实验研究.根据实验结果,利用激光辐照探测器的温升理论模型,计算了温升随辐照时间和功率的关系,并和CO2激光器辐照光导型长波红外HgCdTe探测器的实验结果进行了对比.理论和实验结果表明,此探测器的干扰阈值为16.5W/cm2,损伤阈值为126W/cm2.实验结论对研究激光干扰星载探测器技术具有一定的参考价值.

高精度动载体激光发射系统光束控制反射镜

设计了一种适于车载等运动环境下的快速控制反射镜,用于在具有振动和冲击的工作环境下控制激光发射系统的激光光束稳定及其精确校准。根据某光学系统的性能指标要求,阐述了用于高能激光的平面反射镜的物理性能以及控制反射镜负载应有的机械特性。采用大行程的音圈电机作为控制反射镜的驱动器,并设计了精度高、抗干扰能力强的角位移测量装置作为控制反射镜的位置传感器。对所采用的4个音圈电机和4个角位移测量装置进行了合理布局,既降低了系统的转动惯量又提高了系统的可靠性和环境适应性。实验结果表明:该快速控制反射镜的定位精度优于1.4″,满足高能激光发射系统对控制反射镜的精度要求。

多波段高功率激光扩束系统设计

对透射式和反射式扩束系统应用于高功率激光扩束的优缺点进行了对比研究。采用次镜为凸抛物面,主镜为凹抛物面的无焦卡塞格林系统,运用ZEMAX光学设计软件,按激光扩束系统的扩束倍率和系统的波像差要求,设计出多波段高功率激光扩束系统。对用于高功率激光反射镜的基底材料进行分析,选用无氧铜作为基底材料;采用金增强的膜系设计,膜系从近红外到远红外宽光谱波段激光的反射率均在98%以上。面形精度均方根值优于λ/40(λ=0.632 8μm)的平面镜作为基准镜,采用光学干涉方法对设计的激光扩束系统进行检测实验,结果表明:该扩束系统的扩束倍率为3.53,波像差为0.206λ,满足多波段高功率激光光束发射要求。

声光调QCO_2激光器

为满足激光测距、环境探测、空间通讯及激光与物质相互作用机理研究等领域应用要求,研制了声光调QCO2激光器。针对影响声光调QCO2激光器输出的各种因素,利用调Q脉冲激光器速率方程对该激光器输出的主要技术参数进行了理论分析和计算,提出了声光调QCO2激光器优化设计的方法,并进行了验证实验。激光器脉冲重复频率为1Hz^50 kHz,在1 kHz运转时获得的输出激光脉冲宽度为180 ns,峰值功率为4 062 W,与理论计算基本一致。结果证明:通过声光晶体(AO)的优选及谐振腔的合理设计,可实现小型CO2激光器的高重频、窄脉宽,高峰值功率输出,并可通过光栅选线的设计方式和TTL信号控制实现此类激光器的波长调谐和编码输出。

激光重频对脉冲非稳腔TEA CO_2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,β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。

激光车载平台光路平行性检测方法

军用光电仪器由于移动灵活的需要,通常采用车载平台,车载平台又会承载发射和接受光路,因此会包含多个激光器和光学元件。这就造成以往固定平台的光路平行性检测方法需要进行一定的升级以适应车载平台的需要。为了实现光电干扰功能,车载平台同时配备了对应谱段的多台激光器,还有多谱段的成像系统以及测距装置,对于发射光路和接收光路的平行性要求就更为复杂,因此本文根据车载光电平台的特点,提出了一整套的光路平行性检测方法。检测结果表明,此套方法简单实用,检测精度可达15μrad以内。

中波红外激光器的近场远场测试方法及应用

高重频3～5μm中波红外固体激光器由于其多方面的潜在应用而受到了广泛的重视。但该波段激光器输出具有较大的技术难度并且人眼不可见,因此对于此种激光器的近远场测试方法的报道很少。文中首先简要介绍此类激光器的产生原理,然后对激光器近场参数进行了详细测试。最后,在室外180 m距离上通过单点探测器采样进行了中波红外激光器的远场绝对功率密度测量,并与Fresnel衍射积分的理论结果进行了对比。理论和实验结果表明,此激光器波长为3.9μm,具有高平均功率和高重频的特点,功率不稳定度为10%。远场测试结果和理论计算都表明此激光器在远场具有准高斯的光强分布。考虑大气影响,测试得到远场平均能量密度为6.367 nJ/cm2,比大气经验模型计算的结果大1.3倍。该研究将对测试中波红外激光器的参数提供有益的参考,并对此激光器圆场探测器干扰阈值评估具有一定的借鉴作用。

车载激光系统光束控制反射镜角位移测量装置

为了使快速控制反射镜(FSM)能在车载、舰载等运动环境下稳定工作,并具有很高的控制精度,研制了一套高精度角位移测量装置,该装置通过精确地提供反射镜摆角信息作为系统的反馈信号来实现伺服闭环控制。针对传统快速控制反射镜位置信息反馈传感器的精度低以及不适于动载环境等缺点,采用田字裂相信号提取方法设计了基于莫尔条纹计数测量原理的精密光栅,并通过计算机进行仿真分析设计了具有抗干扰能力和耐高低温变化的绝对零位信号,其对比度达0.25。对信号处理电路进行高度集成,实现了小型化。实验结果表明,反射镜角位移测量装置测量的反射镜角分辨率为0.15″,测角精度优于0.4″,完全能满足机动式条件下,高能激光发射系统对FSM控制精度的要求。

高功率TEA CO_2激光器非稳腔实验研究

为了提高光束质量、压缩光束发散角,利用现有高功率稳定腔TEA CO2激光器进行了非稳谐振腔的技术改造及激光输出试验,非稳谐振腔采用正分支虚共焦型非稳腔方案。为充分研究谐振腔结构参数及激光振荡模体积对输出能量和光束发散角的影响,共设计加工了包含4种放大率、5种模体积的20组非稳腔腔镜组合。在其它参数都相同的试验条件下,进行了非稳腔镜的单脉冲输出对比试验,得到的最大输出能量为14 J,是原平凹稳定腔的70%,而光束发散角只是原平凹稳定腔的1/4。

大功率TEA CO_2激光器旋转火花开关电极的烧蚀实验

旋转火花开关系统用于控制TEA CO2激光器脉冲放电工作过程,是关系到激光器能否实现大面积均匀辉光放电的核心技术之一。介绍了一种旋转开关系统的设计、组成和工作原理,并对影响开关寿命的放电电极烧蚀问题进行了实验研究。研究结果表明,选择比热、密度和熔点高的电极材料可减少电极烧蚀。通过向电极间隙吹气以及采用高效的气体循环冷却系统等措施,可有效地提高旋转火花开关电极的使用寿命。应用结果显示,设计的旋转火花开关系统可在峰值电流300kA,工作电压38kV下以500Hz重复频率工作,稳定脉冲放电工作寿命达到了107次,满足TEA CO2激光器的工作寿命要求。

大功率TEA CO_2激光器的脉冲激励电源

为了提高大功率TEA CO2激光器的工作性能,选用大功率旋转火花开关作为功率开关器件,制作了一种由高压谐振充电电路、高抗干扰的开关触发器、大功率旋转火花开关以及倒空式L-C反转电路等组成的脉冲激励电源。介绍了脉冲激励电源的设计方案,给出了电路工作原理,并对其在大功率TEA CO2激光器的实际工作进行了测试和评估。结果表明,所研制的脉冲激励电源可以满足大功率TEA CO2激光器的特殊工作要求,其重复工作频率可以在100～400Hz任意设定,输出工作电压可达40～50kV,电源平均功率>220kW,电源峰值功率高达1000MW。