Beam quality improvement of the high-energy KTA-OPO based on a confocal unstable cavity with Gaussian reflectivity mirror

A high-energy 100-Hz optical parametric oscillator(OPO)based on a confocal unstable resonator with a Gaussian reflectivity mirror was demonstrated.A KTA-based OPO with a good beam quality was obtained when the magnification factor was 1.5,corresponding to the maximum signal(1.53μm)energy of 56 m J and idler(3.47μm)energy of 20 m J,respectively.The beam quality factors(M^(2))were measured to be M^(2)_(x)=5.7,M^(2)_(y)=5.9 for signal and M^(2)_(x)=8.4,M^(2)_(y)=8.1 for idler accordingly.The experimental results indicated that the beam quality positively changed with the increase of magnification factors,accompanied by an acceptable loss of pulse energy.

内腔式非稳腔DF激光光束质量研究

激光光束质量是衡量激光器应用性能的重要指标之一,面向远距离光电对抗应用场景,本文开展了非链式脉冲氟化氘(DF)激光器非稳腔设计和光束质量提升技术研究。设计了3组不同放大倍率的正分支虚共焦非稳腔,搭建了凸面腔镜横向和轴向两种支撑结构的非稳腔实验装置,其中横向支撑结构内置循环水冷却通道。以86.5%环围能量定义激光光斑大小,选用β因子评价激光光束质量,比较两种支撑方式下的输出能量和光束质量。研究发现:相同条件下,轴向支撑结构的非稳腔输出能量较横向支撑结构高6%,但远场发散角较横向支撑大9%;水冷横向支撑结构虽存在部分能量遮挡,但其较好的热稳定性显著提升了激光光束质量。在M=2.25的横向支撑内腔式非稳腔条件下获得了光束质量因子β=1.83、发散角θ_(0.865)=0.63 mrad的激光光束。该条件下的激光单脉冲能量为2.34 J,激光脉宽为88.2 ns,峰值功率达到26.5 MW。

有正支共焦非稳腔二氧化碳激光器的模场计算

本文利用快速傅立叶变换 (FFT)法 ,对有正支共焦非稳腔的二氧化碳激光器模场进行了计算 ,给出了在不同谐振腔 (放大倍数M =2 .5 (M =1.45 ) ,等效菲涅耳数Neq=1.5 (Neq=1.2 9) )下的模分布图 ,与类似的结果进行了比较 ,符合的较好 ,并分析了形成模分布的原因 。

非均匀增益对激光模式的影响

利用快速傅里叶变换 ( FFT)法对有正支共焦非稳腔、流动增益介质的化学氧碘激光器 ( COIL )与二氧化碳激光器的模场进行了数值模拟 ,在此基础上分析了介质的非均匀增益对激光模式的影响 ,为新的腔型设计和光束质量的改善提供了依据 .

正支共焦非稳腔的失调特性实验分析

在理论分析基础上,采用Hartmann-Shack(H-S)波前传感器方法实验分析了无源正支共焦非稳腔失调后输出光束像差特性。结果表明,腔内倾斜像差对光束强度分布有显著的影响,约1′的腔内倾斜即可使强度分布呈现明显不均匀,并使相位中的倾斜像差Zernike系数增大。但小的腔内倾斜像差不会使波面中的高阶像差发生明显变化,当引入较大的腔内倾斜时相位中的离焦、像散等高阶像差则有所增大。大菲涅耳数,且腔长较长的非稳腔对于离焦像差有一定的容限度。因此,在进行腔内像差自适应校正时,应首先考虑腔内倾斜像差的校正。

正支共焦非稳腔的离焦像差特性

正支共焦非稳腔在出光过程中易受环境扰动而造成腔长失调,易受热积累影响而使腔镜变形,从而使输出光束产生离焦像差和部分其它像差。为了实现对离焦像差的校正,针对不同的产生原因,提出了2种离焦像差特性分析方法:一为腔镜相对位置失调引起的离焦像差特性理论分析方法,它是另一种分析方法的基础;二为腔镜变形引起的等效腔长变化导致的离焦像差特性分析方法,它是实际激光器中的主要分析方法。得到了离焦像差与腔长的特性关系和离焦像差与腔镜变形量之间的特性关系。研究表明:腔长改变和腔镜变形对离焦像差的影响本质是一样的,都是改变了谐振腔的共焦点位置;腔长改变或腔镜矢高变化与离焦像差都成近似的线性关系。实验验证了离焦像差特性分析方法的有效性,最后指出离焦像差特性可作为激光器中离焦像差动态补偿的有效依据。

正分支共焦非稳腔的脉冲固体激光器研究

为了获得高光束质量中红外激光抽运源,采用正分支共焦非稳腔设计Nd∶YAG脉冲固体激光器。在考虑晶体热效应情况下,对其腔型参量进行了数值模拟和试验验证,获得重复频率10Hz、脉冲宽度9.7ns、单脉冲能量260mJ、光束参量积3.5mm.mrad的激光输出。该激光经放大后抽运MgO∶LiNbO3晶体,实现波长3.85μm、脉冲宽度8ns、单脉冲能量104mJ的激光输出,光光转换效率为12.5%。结果表明,该抽运源光束质量满足高峰值功率中红外光参变振荡激光器使用要求,为光电对抗领域的应用奠定了技术基础。

大长宽比矩形有源非稳腔模式的数值模拟

利用快速傅里叶变换算法和薄层增益近似方法,在Matlab计算平台上,对大长宽比正支共焦有源谐振腔进行了数值模拟。得到了长宽比为3.6∶1的大功率化学激光器输出的近场模式强度和相位分布,以及理想聚焦下的远场光斑的强度分布。给出了由非均匀增益引起的强度分布不均对远场光斑的影响。得到的近场图像结果和实验结果基本一致,表明本方法可以对大长宽比矩形腔的输出模式进行仿真,从而为激光器的光束质量改善提供计算参考。

强激光腔镜温升对腔几何参数和远场光强的影响

利用交替方向隐式有限差分法分析了高能激光器虚共焦非稳腔反射镜的温度场及热变形的数值计算方法。以单晶硅为例,计算了反射镜由于吸收激光能量而形成的温度场分布以及由此引起的热变形对谐振腔几何结构参数的影响,并在此基础上数值模拟了热畸变情况下正支虚共焦非稳腔的远场光强分布。计算结果表明:在激光束辐照的开始阶段,温升场主要集中在激光束辐照的中心区域内,在整个镜面上远未拉平,由此引起的厚度方向温升分布也是如此,很不均匀。

圆形球面虚共焦非稳腔的三维数值研究

通过对１／２共焦腔和稳定腔的计算，考查了同三维菲涅耳积分方程相应的Ｃ－８程序的可靠性。对激光在三维圆形球面虚共焦非稳腔中的传输作了计算和分析。取相同的远场传输距离且放大率由大变小时，强度分布由近场的投影分布逐渐趋于远场的高斯、超高斯分布。

腔内像散扰动对正支共焦腔模式影响的数值分析

针对激光器出光过程中腔内像差扰动带来的输出光束质量和光束能量下降问题,分析了腔内像差扰动对非稳腔模式的影响,并采用数值迭代法计算了理想情形和腔内像散扰动对无源正支共焦腔输出模式强度和相位分布的影响,进一步采用Zernike模式法对光束相位进行了像差拟合,得到了前35阶Zernike像差系数、点扩散函数(PSF)分布和环围能量曲线,计算了腔内像散扰动量与远场Strehl比的关系。结果表明:对小菲涅耳数正支共焦腔,腔内像散扰动对输出光束强度和相位分布均有明显影响,相位分布中一些高阶Zerni-ke像差也有所增大。因此在进行腔内像差校正时,应优先考虑此类像差的校正。

采用腔内设置限孔光阑抑制倒向波的理论分析

氧碘化学激光器通常采用的环形腔存在着倒向波 ,它对正向波的输出功率以及光束质量不利 ,因此必须进行抑制。以对称环形共焦非稳腔为例 ,介绍了在腔内放置限孔光阑 ,通过改变倒向波与正向波经过增益介质部分的模体积比 ,从而抑制倒向波的方法。计算结果表明 。

无源虚共焦非稳腔光束特性模拟

采用 FFT方法 ,详细研究了无源圆形球面虚共焦非稳腔的光束特性 ,给出了三维稳态模型。考虑腔镜倾斜效应和变反射率输出耦合镜导致的光束质量和输出功率变化等问题。讨论了在中等放大率和大 Fresnel数模式下的近场光束特性和远场光束质量。

共焦非稳腔中ps激光的内腔倍频

考虑倍频晶体相位匹配接收角（Ａｎｇｕｌａｒａｃｃｅｐｔａｎｃｅ）对倍频转换效率的影响，设计了正支（ｐ支）共焦非稳腔Ｎｄ∶ＹＡＰ锁模激光器平行光通过晶体实现完全相位匹配以ＢＢＯ和ＫＴＰ作为腔内倍频元件，分别获得８０６％和６０２％的高效倍频转换。

基于H-S波前传感器的正支共焦腔调腔方法的研究

采用H-S波前传感器对于非稳腔进行了实验调腔技术研究,指出了正支共焦腔调腔的原则,以输出光束近场强度和相位分布这一双重依据作为谐振腔是否调好的标准。进行非稳腔调腔时,首先应当保证整个光路共光轴使输出强度分布均匀,但此时光束中可能还包含离焦等高阶像差,因此在腔外用Hartmann-Shack波前传感器进行光束相位测量,得到了35阶像差Zernike系数、波面PV和RMS值,进一步计算得到远场分布和环围能量曲线等。从而可以全面了解输出光束质量,并能有针对性地对光腔进行调整,从而达到较理想的光腔调整共轴状态。

光学系统的失调对激光束发射性能的影响

基于简单的物理模型和矩阵光学方法，就光腔失调后对出射光束通过一发射光学系统聚焦特性的影响作了分析，并用数值计算例子加以说明。同时，还给出了一些有用的工程估算公式供参考。

虚共焦非稳腔腔镜倾斜对激光传输的影响

首先用几何光学方法分析了虚共焦非稳腔腔镜倾斜引起的准直光线偏离光轴 ,形成偏斜光线的角度灵敏度和偏斜距离灵敏度同非稳腔放大率m和腔镜倾斜角 β之间的关系 ,然后用C 6程序计算、分析了柱面条状虚共焦非稳腔单镜、双镜反向和同向倾斜三种情况下不同倾斜角对近场相位和远场强度的影响。数值结果表明 ,镜腔倾斜会使近场相位由均匀分布变成非均匀分布 。

虚共焦非稳腔束散角的研究

在放电泵浦ＸｅＣｌ准分子激光器上，对放大率Ｍ从１．８０到２０．５６共六种虚共焦非稳腔在放电电压为２０ｋＶ下的水平、竖直方向的束散角θ＿（１１Ｍ）．θ＿（⊥Ｍ）进行了系统的实验研究，并从理论上计算了本实验条件下的衍射极限ＤＬ＿（１１Ｍ）．ＤＬ＿（⊥Ｍ）。

横流CO_2激光器虚共焦非稳腔的输出特性数值模拟

采用傅里叶变换法求解近轴波动方程,然后利用快速傅里叶变换对二维离散点处理比常规迭代法快的突出特点,模拟了横流CO2激光器输出特性,给出了三维稳态分布图.并探讨了腔镜倾斜、增益非均匀存在时对光腔模式的影响.

放电型高增益KrF激光器非稳腔的研究

给出了放电型高增益非稳腔KrF激光器具有衍射极限的激光模式建立的时间与非稳腔放大率和腔长之间的关系。实验对放大率M=8,腔长L=1.75m和放大率M=13.3,腔长L=1.85m的正支共焦非稳腔在不同增益下输出光的发散角进行了测量。充电电压为30kV,发散角分别是39倍衍射极限和33倍衍射极限。当充电电压降至26kV,即降低腔内介质的增益时,它们的发散角分别是20倍和5倍衍射极限。表明了具有衍射极限的模式建立时间受放大率、腔长以及饱和效应的影响。要得到衍射极限光,其衍射极限光的建立时间必须小于饱和时间。