基于锥形掺镱光纤实现20 kW高光束质量激光输出

锥形光纤能够有效兼顾非线性效应抑制和模式控制,具备实现高功率、高光束质量光纤激光的潜力。近期国防科技大学研制了锥形掺镱光纤,采用1 018 nm光纤激光后向级联泵浦实现了20.2 kW激光输出,光束质量β因子平均值优于2,拉曼抑制比为33 dB。研究结果展示了锥形光纤在实现万瓦级高光束质量激光方面的优势。

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。

高能激光短距离传输光束质量测量仿真与实验研究

准确测量光束质量对于高能激光系统性能的评估至关重要,相比传统的远距离传输测量后再修正的方法,短距离传输后的光束质量更接近激光系统出口处的真实情况。建立激光短距离传输模型,采用多层相位屏法,分析空气湍流等因素对激光远场光斑形态和光束质量的影响。结果表明,在20 m的较短传输路径上,风速、空气相对湿度、功率等影响热晕效应的因素对光束质量影响较小,常规条件范围内,光束质量因子β值劣化不超过15%,而空气湍流效应对高能激光光束质量的影响较明显,随着空气湍流强度C_(n)^(2)由1×10^(-18)m^(-2/3)增大到1×10^(-12)m^(-2/3),β值从1.0848增大至8.9933;湍流强度对不同口径激光光束的光束质量影响也不尽相同,口径越大,受湍流强度影响越大。文中搭建实物光路,使用700 mm口径平行光管进行验证,在C_(n)^(2)<1×10^(-14)m^(-2/3)的情况下,测得2.63,与模拟结果相符,实验中还发现,可以通过搅散空气的方法来减小湍流强度。实验结果表明:将空气湍流强度控制在1×10^(-14)m^(-2/3)以下,光束质量因子不小于3的高能激光系统光束质量测量偏差小于5%,为大口径激光系统出口光束质量测量提供一种解决方案。

大口径多波段光束质量检测系统设计

光谱合成技术是实现高能激光输出的重要技术途径,如何在高功率输出的前提下,保证高光束质量的激光输出已成为当前光谱合成技术最迫切要解决的问题。本文针对155 mm×140 mm矩形口径、(1 064±3)nm、(1 030±3)nm和(635±5)nm波段光束的参数检测问题,设计了大口径多波段多参数检测系统。波前检测单元基于开普勒的望远结构,在构建变形镜与微透镜共轭关系的同时,压缩光束口径以匹配探测器尺寸。前组物镜采用卡塞格林结构,以解决大口径、多波段的色差校正难题;后组镜采用三片式复消色差折射镜组,补偿色差的同时,兼顾无热化设计,用以补偿前组物镜的残余热差和后组镜热差。经波前检测单元后进行分光探测,实现光束质量和光束均匀性检测。为了提高系统的环境适应性,采用光学被动无热化方法对系统进行了20℃±10℃的无热化设计。最后,对系统进行装调测试,采用泽尼克波前复原方法对波前探测相机采集的光斑图像进行波前复原,测得10℃~30℃下系统波前的RMS值优于0.052 4λ(λ=632.8 nm),光束均匀性优于0.893,光束质量β因子优于1.26倍衍射极限。

高功率激光器光束质量测量的衰减缩束仿真研究

光束质量因子M^(2)是表征高功率激光器横模特性的主要参数,针对目前光束质量分析仪只能用于小口径、低功率激光器光束质量评估的问题,开展了高功率激光器光束质量测量的衰减缩束技术原理与仿真研究。建立了衰减缩束组件的仿真模型,利用有限元的方法对光学元件在高功率激光下的热致像差进行研究,得出热致像差的峰谷(PV)值小于82 nm时,对光束质量因子的影响小于5%。当光束通过衰减组件时,如果发生退偏,光束质量因子将偏小。基于泽尼克多项式和光束质量因子计算模型,研究分析了缩束组件波前畸变对测量的影响,并通过Zemax仿真分析看出,在装调时入射光与缩束组件中心光轴夹角视场小于7°时,对光束质量因子测量的影响小于5%。

大口径米量级的激光光束质量测量装置标定方法研究

随着激光的应用越来越广泛,大口径米量级的激光光束质量测量具有重要的研究价值。为规避大气影响,对大口径米量级的激光光束质量的测量一般采用波前测量法在激光系统出口处直接测量。而为了实现精确测量,则需先对大口径米量级的激光光束质量测量系统进行零点标定。本文提出了一种采用小口径的标定光源对大口径测量系统进行扫描标定的方法,分析了不同扫描方式下由标定光源平行度残余误差引起的光斑质心偏移情况,并对不同扫描方式下不同标定光源平行度残余误差对系统测量精度的影响进行了仿真分析。根据波前复原结果,选择了单向扫描方式,并提出在缩比验证测量系统口径为127 mm时,标定光源平行度残余误差应不大于5μrad;在实际测量系统口径为1.27 m时,标定光源平行度残余误差应不大于0.5μrad。

利用光束质量分析仪测量M^2因子

激光光束质量是激光器的一个重要技术指标,激光光束质量因子是反映激光光束质量的重要参数。介绍了一种利用光束质量分析仪来精确测量激光光束质量因子的方法,通过透镜将激光束进行聚焦变换,在透镜后方得到腰斑远场变化,利用光束质量分析仪,沿光轴等间隔测量不同位置的束宽,然后采用双曲线拟合来确定激光光束束腰的大小和位置,从而计算出被测激光光束的质量因子。实验数据采用三点法处理,进行二项式拟合,得出了拟合双曲线的参数,通过计算得到了所测激光的质量因子。用透镜焦点处的实测束宽对拟合值进行验证,结果近似,说明测量的结果是可靠的。利用光束质量分析仪的专业性和高精度,能准确测量出计算光束质量因子所需的参数,比常用的CCD测量方法更精确和便捷,能够很好地得出实验所用激光器的质量。

超高光束质量研究及进展

超高光束质量研究及进展王绍民赵道木（杭州大学物理系３１００２８）基模高斯光束被认为是理想光束，或是衍射极限光束。是否有可能实现一种光束超过高斯光束，便是本文要研究的内容。提出了边界波具有π跃变性质的假说，作为惠更斯－菲涅耳原理的补充。根据边界衍射波理...

激光的参数描述和光束质量

激光光束质量是一个很有现实意义的论题。对实际激光,一方面或多或少存在硬边光阑光学元件影响。另一方面,人们常对远场激光束的可聚焦能力感兴趣。对有光阑情况时光束传输因子(M2因子)的推广作了讨论。对有代表性的3种方法,即广义截断二阶矩法、渐近分析法和自收敛束宽法及其应用作了分析。引入了桶中功率(PIB)和β参数用以描述远场光束质量。然后,研究了实际应用对激光光束质量的一些要求和相关的评价参数。最后,讨论了复杂的高功率激光系统的全程光束质量控制问题。

强激光光束质量评价和测量方法研究

长期以来对于强激光光束质量一直没有统一的评价标准和规范的测量方法,这给强激光系统的试验鉴定带来很大困难,也给科学研究和工程应用带来诸多不便。针对系统性能测试评价的迫切需要,对此问题进行了分析和研究,提出了一种光束质量的评价方法和具体的测量方法及技术。

固体板条MOPA激光光束质量主动控制

详细介绍了固体板条MOPA激光系统输出光束特性,包括光束近场强度分布、波前畸变空间特性和时间频率特性等,并以此为设计输入,研制了大动态范围高空间分辨率变形镜。研制的自适应光学闭环校正系统在强光条件下,实现了全程闭环控制,光束质量β因子平均值从开环7.4提高到4.06。根据当前波前闭环校正残差,提出了进一步提高MOPA系统输出光束质量的方法。

激光束质量因子M^2及其测量

激光束的质量因子Ｍ２是一种全新描述激光束质量的参数，能够定量地表征单模、多模光束的传播特性。描述了Ｍ２因子的概念和测量方法，利用面阵ＣＣＤ探测器研制一套光束质量测量系统，对激光束质量因子Ｍ２进行测量，并给出测量结果的不确定度。

全光纤激光器光束质量的优化

基于激光器的结构,实验研究了影响光束质量的因素。搭建了百瓦级全光纤激光器,在最大泵浦功率为436W的条件下,在1 080nm处获得的激光输出为300W,光-光转换效率为69%,光束质量M2为1.13。实验研究了谐振腔出射的激光光束在传能光纤中传输时径向功率分布的变化,结果显示:随着光束在光纤中传输距离的增加,光纤中的包层光功率呈现出先增加后保持不变的趋势,因而在传输距离上选择不同的长度对包层光进行剥除,可以获得不同的光束质量。实验还显示,在相同的泵浦条件下,与包层光剥离器设置在腔外相比,其设置在谐振腔内可获得更高的激光输出功率,但是光束质量较差。最后,采用在腔内腔外各加一个包层光剥离器的方法获得了更好的光束质量,此时M2为1.07。

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%.

高能激光器气动窗口光束质量的评价方法探讨

通过对高能激光器气动窗口的研究现状和应用需求的分析 ,指出建立一套气动窗口光束质量的评价方法是十分必要的。在分析气动窗口工作机理和现有激光光束质量评价因子的基础上 ,提出一种评价气动窗口光束质量的方法 ,即用斯特列尔比来评价气动窗口的光束质量 ,并辅以相对衍射极限因子进行远场直观说明。分析表明 ,此种评价方法是可行的 ,并达到了不受限于气动窗口类别的光束质量评价的要求。

光学元件“缺陷”对助推放大级光束质量的影响

光学元件"缺陷"制约着高功率固体激光装置负载能力的提升。从统计角度建立了振幅调制型"缺陷"模型,并针对神光Ⅲ原型装置助推放大级分析了"缺陷"分布的统计参量与光束近场质量的关系,得到了一般规律。结果表明,"缺陷"总密度的增加和幂指数的减小都使系统输出光强的中高频成分增加,光束近场质量变差;总密度的变化引起光强各中高频成分变化的幅度近似相等,频率间相对比重基本保持不变,幂指数的变化却会引起各频率间相对比重发生变化;一定范围内,"缺陷"尺寸越大对近场质量的影响越严重;对于助推段,需将元件的"缺陷"总密度控制在600cm-2以下,幂指数控制在2.5以上。研究结果可为降低元件的损伤风险以提高系统的运行负载提供参考。

基于多层电介质光栅光谱合成的光束质量

基于电介质光栅的光谱合成是实现高功率高光束质量激光的重要途径.在电介质光栅的光谱合成系统中,光栅色散效应是影响合成激光光束质量的重要因素.本文推导了单光栅和双光栅光谱合成系统中由于光栅色散引起M^2因子的变化公式;详细讨论了这两种合成系统中单路激光线宽、单路激光光斑半径、相邻两路激光波长差、相邻两路激光间距以及光栅周期对光束质量的影响.研究表明对于单光栅合成系统,在合成过程中若保持光束质量M^2因子的大小不变,则单路激光带宽随光斑半径的增加而减小;在双光栅光谱合成系统中,在保持光束质量的前提下,单路激光带宽可随光斑半径的增大而相应增加.数值计算表明,若要满足合成光束的光束质量M^2≤1.2的要求,在单光栅系统中激光带宽需窄于亚纳米量级,在双光栅系统中激光带宽可为亚纳米.本文为高功率、高光束质量的光纤激光光谱合成系统的搭建提供了理论指导.

径向剪切干涉法综合诊断光束质量研究

为了解决高功率激光装置光束质量诊断系统的自验证问题,研究了基于空间相位调制的径向剪切干涉法综合诊断光束质量的实验应用。该方法理论上只需一台干涉仪且从单幅干涉图中获取光束的近场、相位和远场分布信息。实验结果表明,目前可以得到高分辨率的相位分布,由测量近场和相位恢复出的远场同CCD直接测量得到的远场形态相同,环围能量比曲线相当吻合,不足之处在于只能提取近场较低空间频率成分,还达不到CCD直接测量的空间分辨水平。

板条激光器光束质量控制技术研究进展

随着激光二极管技术的发展,以及一些先进热管理方案和新型加工工艺的涌现,固体激光器的输出功率已达到百千瓦量级,而光束质量的控制问题却日益凸显。本文归纳了板条激光器的光束质量控制技术,对当前已经实现了的几种技术路线进行了深入细致的分析,包括静态相位校正技术、非线性光学校正技术、自适应光学校正技术、几何光学校正技术等,并分别介绍了其工作原理、研究进展以及优缺点。

激光通道传输热特性对远场光束质量的影响

通过仿真计算分析了激光在光束控制系统通道内传输所产生的热效应及其对远场光束质量的影响。激光传播由近轴波方程描述 ,用快速傅里叶变换技术求解 ;激光热效应引起的流场密度变化采用完全Navier Stokes方程计算。计算给出了不同波长、不同吸收系数条件下的远场光斑情况。计算结果表明 ,在典型的工作条件和状态下 ,较高能量激光在光束控制系统通道内产生的热效应影响不容忽视 ,它会明显降低远场目标处的能量集中度 。