Designs of Two-Element Optical Refracting System to Achieve Uniform Laser Beam Profile

Various specific laser irradiance distribution outputs are needed in many applications. To fulfill this need, a detailed step-by-step design procedure for split refracting system is proposed for three types of laser beams transformation: 1) Annular-uniform-to-uniform;2) Annular-Gaussian-to-uniform;and 3) Gaussian-to-uniform to obtain the required laser irradiance distributions. Mathematical expressions of the two Plano-aspheric surfaces are derived for each type. The proposed designs take into account few important parameters such as the system length, the surfaces radii of curvature, the annular beam starting cone angle, and the beams power ratio. Further, the proposed designs are much better than the ones, which were previously

环形区域上Zernike模式法波前重构

针对激光技术领域常见的环形激光光束 ,利用圆域 Zernike多项式和环域 Zernike多项式进行模式法波前重构 ,结果显示 :如果环形激光光束波前相位畸变主要由低空间频率成分组成 ,则可以直接利用圆域 Zernike多项式进行波前重构 ;如果环形激光光束波前相位畸变含有较多的高阶频率成分 ,则利用环域 Zernike多项式进行波前重构。

环形激光光束的波前复原算法比较

针对环形激光光束净化自适应光学系统中的波前传感器子孔径与变形反射镜驱动器布局，仿真比较了直接斜率法、区域法的Ｆｒｉｅｄ模式和Ｓｏｕｔｈｗｅｌ模式三种波前复原算法，其中，直接斜率法的波前校正能力及稳定性均为最好。

环状光束通过透镜的聚焦特性研究

给出了环状光束在柱坐标系下的一种描述模型,并利用广义衍射积分理论,推导出环状光束经过近轴ABCD光学系统的传输公式·在此基础上,通过数值模拟方法定量分析了环状光束的聚焦光强分布以及焦面处的桶中功率·研究结果表明,环状光束的聚焦特性与光束阶数以及系统菲涅耳数有关;环状光束在实际焦面和几何焦面上的桶中功率均随着遮拦比的增大而降低,而随着系统菲涅耳数的增大而增大·在实际工作中,通过合理地选取系统菲涅耳数和光束遮拦比可以有效地控制环状光束聚焦后的光束质量·

高能激光环形光束近场和远场传输特性

为满足高能激光环形光束在近场区和远场区的实际应用需求,从电磁波衍射积分方程出发,推导了环形光束光场分布和远场光强分布表达式,并对光场分布和光强分布进行了分析,得到光强分布与高斯光束的有限孔径大小、中心遮拦比和传输距离的关系.引入大气湍流场景,采用相位屏法对环形光束在不同湍流强度下的大气传输进行了数值模拟和分析,研究了受大气湍流影响远场光斑畸变、光斑破碎、光束扩展和漂移等的增强现象.最后开展了环形光束近场区大气传输数值模拟和实验,结果表明:随着传输距离的增加,光斑中心光强越来越强,光斑逐渐趋于均匀,平均光强呈类高斯分布,近场区环形光束扩散和光斑畸变现象受大气湍流影响而增强.

双高斯空心光束的传输特性分析

对双高斯空心光束经非线性介质后传输和直接经自由空间传输的两种方式分别进行了数值模拟,研究了双高斯空心光束在两种介质中的传输特性.研究结果表明,双高斯空心光束具有稳定的近场传输特性,而在远场光束中心暗斑将消失,此时轴上的光强变为最大,且在中心边缘出现衍射环;同时在远场,经非线性介质后传输比直接在自由空间中传输的轴上光强增加更快.

贝塞尔-高斯光束通过圆孔与圆环光阑的衍射

为了研究贝塞尔-高斯光束通过圆孔硬边光阑和圆环光阑的衍射特性,从Collins公式出发,采用数值模拟的方法模拟出光强分布。模拟结果表明,贝塞尔-高斯光束经圆孔光阑衍射后轴上光强随菲涅耳数F呈周期振荡;贝塞尔-高斯光束经圆环光阑后轴上光强随F呈振动衰减。在F相同时,贝塞尔-高斯光束经圆孔光阑衍射后横向光强分布比经圆环光阑衍射后横向光强分布平滑,孔径越小,光强调制越明显;当孔径与束腰相等时候,横向光强分布与菲涅耳数没有关系。

不同能量下环形高斯强激光光束在空气中的非线性传输

以线性传输模型为对比研究了不同初始能量的环形光束在空气中的非线性传输。结果显示,在传输初始阶段,非线性克尔效应减弱了线性空间啁啾导致的聚焦作用。线性聚焦使能量向光轴方向流动导致强光强核心,在光轴附近生成类高斯脉冲结构,增强了非线性自聚焦效应,导致光强急剧增加形成光丝。环形光束的初始能量的大小能够影响自聚焦焦距、光丝长度和光强通量。自聚焦焦距随着初始脉冲能量的增加而减小,但自聚焦焦距与初始功率的开方不成反比(这点与高斯光束不同)。光丝长度随着初始脉冲能量的增加而增加。轴上光强通量随初始脉冲能量的增加而增加。

环状平顶光束的传输特性研究

利用偏心高斯光束相干叠加方法,建立了柱坐标系下环状平顶光束模型.采用广义强度二阶矩定义,推导出环状光束广义M2因子的解析表达式.利用广义衍射积分理论,给出环状光束经过近轴ABCD光学系统的传输公式,并进一步给出了环状平顶光束修正的菲涅耳数定义.分析了环状平顶光束在自由空间的传输规律.研究结果表明,该模型可统一描述基模高斯光束、环状高斯光束以及环状平顶光束.环状平顶光束的广义M2因子和环状平顶光束的传输特性与其阶数及遮拦比有关.

环状连续强激光下光学薄膜的瞬温和热畸变

详细研究了非冷却光学薄膜元件在环形激光光束辐照下的瞬态温度分布和随后的热畸变，并且用泰曼干涉仪实际测量了连续波氧碘激光辐照各种非冷却光学元件的热畸变量并与理论计算相比较，分析结果表明理论和实验相一致。

束旋转90°对束变换环孔腔输出性能的影响

使用积分方法和差分方法结合的快速计算方法,在实际燃烧驱动氟化氢化学激光器增益介质沿径向分布不均匀的情况下,考虑在光束变换环形孔径激光谐振腔的紧束段引入光束旋转90°对其输出性能的影响。计算结果显示:在无腔失调的情况下,在紧束段引入光束旋转对束变换环孔激光谐振腔输出功率及光束质量的改善并不显著;在存在腔失调的情况下,紧束段光束旋转对于输出功率和光束质量的改善有显著效果。

环形激光束自聚焦效应的补偿研究

采用快速傅立叶变换,对高功率环形激光束在非线性介质传输过程中自聚焦环的形成与抑制进行了研究.结果表明,环形激光束在传输过程中容易形成自聚焦环,然而,当使用具有负折射率系数(γ<0)的非线性介质作为补偿材料,对非线性效应进行补偿,可以大大减小光束的累积B积分,有效防止环形激光束自聚焦环的产生.

能量输运型激光系统光束质量评价参数浅析

当能量输运型激光系统输送的激光作用于能量和功率敏感型目标时,更强调目标上所关心区域内激光到靶的空间绝对强度。现有光束质量评价参数体现的是激光到靶功率(能量)的相对空间分布特性,无法有效体现激光到靶功率(能量)的绝对分布特性。以84%能量环围比的实心光束理想衍射角为基础,统一了不同遮拦比环形束相对光束质量β的评价标准。在此基础上,计算了激光到靶功率(能量)密度,建立了体现能量输运型激光系统绝对强度空间分布特性的评价参数——辐射强度。该参数携带了激光系统内部的全部信息,满足能量输运型激光系统的实际应用,能有效评估激光输运型激光系统的综合性能。

环形分区物镜的双光子光存储记录模式的数值模拟

为了提高传统的单光束双光子逐点记录模式的层间分辨力,提出一种基于单个环状分区透镜的双光束双光子记录方案;采用计算机数值仿真的实验手段对方案中双光子记录的轴向分布强度进行计算分析.仿真结果表明:通过适当调节两记录光束的功率比例及环形分区透镜的内外环分割比例,可以取得最佳的轴向记录分布.

基于双轴锥镜的环形激光束整形

为了改善非稳腔高能激光系统的光束质量,提高发射光学系统口径的利用率,采用新型的可用于光学非稳腔输出环形光束的光学整形方法,通过在激光腔外的光路上增加光学元件对输出的环形激光束进行了整形变换。在理论分析的基础上,设计并加工了基于双轴锥镜的光束整形装置,针对非稳腔高能激光器输出的环形光束进行了整形实验,取得了与理论分析一致的数据。结果表明,采用双轴锥镜装置整形后的光束比原始光束具有更好的光束质量,光束束腰直径由45mm减小为32mm,光束质量因子M^2由14减小到11.8。该方法用于光学非稳腔输出环形光束整形变换具有可行性。

一种形成环形抽运光的方法

为了形成纯净的环形抽运光,以得到端面抽运固体激光器输出拉盖尔-高斯光束,采用轴棱锥系统整形方法(即将激光二极管输出的实心抽运光经过准直系统后,耦合进轴棱锥与聚焦镜组成整形系统,形成环形尺寸可变的区域空心光束)进行了理论分析和实验验证。基于几何光学的方法,对整形装置形成环形抽运光进行了理论分析及基于ZEMAX软件的数值模拟,最后实验验证了此方法的可行性;并在研究过程中,对一种环形抽运光中间暗斑区域不变的现象进行了研究。结果表明,在采用未镀膜的轴棱锥的情况下,该系统形成环形抽运光的效率达到64.5%。

锥形腔高能量激光能量计后向散射问题研究

高能量激光能量的准确计量对于相关研究至关重要。量热法是测量高能量激光能量的一种有效方法,其中涉及到的入射激光在能量计吸收腔内的后向散射总能量,是一个关键参量,它的准确测定与计量,将大大提高高能量激光能量计量的准确性。依据能量计内表面与入射激光相互作用的光学定律,详细推导了锥形吸收腔内入射激光光束能量的分布函数,并结合复化辛普森数值计算方法,分析和讨论了吸收腔结构一定时,环形和矩形两种不同光斑形状的高能量激光在锥形能量计吸收腔开口处的后向散射光功率密度分布和后向散射总功率以及它们对能量测量结果的影响。

空心高斯光束多棒环形并接放大器输出的理论分析与数值模拟

为获得高功率激光输出,设计了激光束多棒环形并接放大器。运用基尔霍夫衍射理论对多棒并接环形放大器模型进行分析,建立了多棒并接环形放大器输出激光传播情况的理论模型,利用M atlab软件模拟计算并绘制了经过放大器放大后,激光光束传播时的光强分布图。计算结果表明,采用多棒环形放大器,由于衍射的作用,轴线中心的光强得到了加强,实现了对空心高斯光束的放大。

环形激光光内同轴送丝焊接试验研究

激光填丝焊是一种具有广泛应用领域的焊接工艺。针对现有旁送丝填焊工艺存在的不足,提出了光束中空、正向同轴送丝创新方案。利用所研制的光内同轴送丝焊接装置进行了焊接试验。结果表明,同轴送丝焊接具有光丝耦合姿态固定、热源对称、能量分布合理等突出优势。焊缝表面光滑平整,截面形状对称。焊缝质量各向同性,适用于一维和多维焊接。对变动激光功率、扫描速度和送丝速度进行了工艺试验,获得了一组优化的工艺参数。焊缝的扫描电镜(SEM)分析和拉伸试验表明,激光光内同轴送丝所获得的焊道组织致密、均匀,无气孔、夹渣等缺陷,是理想的激热激冷组织;焊缝与基材结合牢固,结合区无明显缺陷。

输出环状光束的新型激光谐振腔

提出一种输出环状光束的新型激光谐振腔,即在稳定激光谐振腔中采用外环耦合方式得到环状光束的输出。利用Fox-Li数值迭代算法求解此类激光谐振腔的积分方程,通过计算机编程计算了平面一凹球面稳定谐振腔的输出端平面镜在不同半径的情况下,谐振腔镜面上和衍射耦合输出场基模的振幅和相位分布。计算结果预示了当输出端平面镜半径小于通常的稳定腔的基模半径时,衍射耦合输出场有稳定的环状光束输出。实验中TEACO2激光器采用印刷电路板预电离结构,增益长度90cm,腔长5m,球面全反射镜曲率半径20m,输出端平面镜半径4.5mm,得到了内环半径为4.5mm、外环半径为5.5mm的基模环形光斑输出。从而在理论上和实验上证实了该方案产生环状光束的可行性。