光栅角色散和制作误差对谱合成光束特性的影响

考虑光束的发散、光栅角色散以及光栅制作过程中存在的刻槽倾角误差,应用光线追迹方法,建立了激光束入射到光栅时相位变化的计算模型。利用衍射积分方法和光束非相干叠加原理,推导出阵列光源各子光束经谱合成系统后合成光束的光强分布解析表达式。在此基础上,利用强度二阶矩方法,计算了合成光束的M2因子,并定量分析了光栅角色散和光栅刻槽倾角误差对谱合成光束特性的影响。研究结果表明:光栅角色散和光栅刻槽倾角误差的存在均会导致谱合成光束的光束质量变差,光栅刻槽倾角误差的影响比光栅角色散的影响更为明显。

啁啾脉冲参数对合成光束的远场光强的影响

光束合成是提高激光功率及光束质量的一种有效方法,啁啾脉冲高斯光束的各参数都会影响合成的效果。利用夫琅禾费衍射积分公式导出了两束啁啾脉冲高斯光束合成的远场光强的解析式,得知远场光强与啁啾参数、脉宽及谱宽等参数有关。对远场光强进行了数值模拟,结果表明:对甚多束光束合成而言,单元激光间的啁啾参数增大、脉宽差值减小或者谱宽差值增大,均有利于轴上光强的增大及远场光强分布集中于传输轴附近。

大气湍流和热晕效应对列阵合成激光传输特性和光束质量影响的理论研究进展

介绍了大气湍流效应和热晕效应对列阵合成激光传输特性和光束质量影响的理论研究进展。主要介绍了合成激光在大气中传输的解析和数值模拟研究方法,大气湍流效应对列阵合成光束的光强分布、远场发散角、方向性、曲率半径和湍流距离的影响,以及大气热晕效应对列阵合成光束的光强分布、传输效率、重心偏移、热晕时间尺度和焦移的影响。研究结果表明,大气湍流效应和热晕效应对合成激光光束质量的影响与光束合成方式、合成光束参数以及大气参数密切相关。

阵列合成激光束在湍流大气中传输的研究进展

多路激光束合成是获得高功率和高能量激光输出的有效途径,因此,多年来光束合成方法和技术得到了广泛的关注和深入研究。近年来,随着空间光通信和激光传播工程等应用需求的发展,合成光束在湍流大气中的传播过程及其规律研究也逐渐成为光传播研究领域的热点问题。针对多种典型激光阵列合成光束,首先对比分析了广义Huygens-Fresnel原理、Rytov微扰近似以及随机相位屏数值模拟等方法在激光阵列合成光束大气传输研究中的应用;其次,阐述了合成光束传播应用研究中的桶中功率、衍射极限倍数β、M^2因子、光束传输因子等光束质量评价因子的评价作用;最后,根据阵列合成激光束的研究现状和成果,提出了应进一步深入研究的问题。

矩形光束合成的建模与实验验证

光束合成是高功率固体激光器进一步发展的必由途径。板条的激光介质产生的矩形光束通过阵列合成能实现较高的近场光斑填充因子,有利于提高远场光束的能量集中度,从而获得更好的光束质量。根据激光器远场光束的测量方式,利用光束传输变换规律,建立矩形光斑双束合成的理论模型。通过数值模拟,在相干、非相干条件等典型情况下得到的子束合成不同远场的光斑图形,与相同条件下诺.格公司给出的实验结果一致,从而验证了理论模型的正确性。为进一步分析子束间距、整体相位差、偏振态、随机像差对矩形光束合成的影响奠定了基础。

高斯光束的合成特性分析

建立了矩形阵列高斯光束合成模型,采用数值模拟方法计算了光束间距、单元光束特性以及阵列结构等参数对非相干合成和同相位相干合成的远场峰值强度及光束质量的影响,描述了非同相位相干合成可能产生的结果,讨论了同轴与非同轴合成,相干与非相干合成的特点。结果表明:非相干和同相位相干合成时的光束质量随着单元光束的增多而变差,并且随着光束间距与单元光束束腰之比的增大而下降;而非同相位相干合成的结果较为复杂,可能产生完全相消干涉,合成光束"重心"离轴及束腰位置偏移等现象。分析认为:同轴合成可以获得最佳的光束质量,是值得采用的合成方式。此外,同轴相干合成优于非相干合成的充分条件是将单元光束之间的相位差控制在(-π/4,π/4)以内。

谱合成光束特性的模拟分析

建立了光束谱合成的传输模型.应用光线追迹方法,将闪耀光栅引起的相位变化用槽间光程差和槽内光程差来表示,建立了光束倾斜入射到光栅时相位变化的计算模型.利用衍射积分方法,给出了阵列光源各子光束经谱合成系统后输出光场的解析表达式.依据光束非相干叠加的原理,计算得到合成光束的光强分布.在此基础上,利用强度二阶矩方法,分别计算了阵列光束和合成光束的M2因子,并定量分析了谱合成系统参数对合成光束特性的影响.研究结果表明:通过谱合成系统合成光束的M2因子与单个子光束的M2因子相近;随着变换透镜焦距的增加,各子光束中心波长的间距减小,从而使合成光束谱宽减小;阵列单元的封装误差对合成光束的光强分布影响相对较小,而整个阵列的对准误差则对合成光束的光强分布存在明显影响.

子束排列方式对固体激光器光束合成特性的影响

建立了固体激光器矩形光斑光束合成的理论模型,对诺.格公司给出的2束、4束、8束合成实验结果进行分析,并通过数值模拟,得到了不同子束排列方式下合成光斑的远场图形。通过仿真模拟可以得出:排列结构影响远场光斑的形状;子束间距决定了合成光束远场光斑的衍射旁瓣的大小和多少。采用环围能量进行分析,研究了远场光斑中主瓣能量随激光阵列占空比的变化。结果显示,远场光束环围功率随子束间距的增大而逐渐下降,而且参与相干合成子束越多,下降越大。

双光路合成系统光束耦合精度研究

为了增加激光干扰系统对抗光电装备的种类,提出了一种高脉冲能量高重复频率混合型激光干扰方法,并介绍了这种激光干扰方法的核心部分-双光路合成系统的工作原理。在此基础上,分析了双光路合成系统中激光发散角、光束传输距离和岀射面处光斑中心距离等重要参数与远场光束耦合精度的关系。利用ZEMAX软件对双光路合成系统进行了仿真,将理论分析结果与仿真结果进行比较,两者基本吻合,从而验证了这种理论分析方法的可行性。这一结果为双光路合成系统中重要参数值的设置提供了依据。

激光束的相干合成技术

本文对可实现激光束相干合成的一些有用的技术方案作了总结，对由Ｓｃｈｕｓｔｅｒ等人提出的级联ＭＯＰＡ系统进行成对共线光束合成的功率定标模型作了分析。最后，对与位相控制概念有关的问题作了讨论。

平顶高斯光束相干合成在大气湍流中的传输

光束合成是将多个激光器的输出光束在远场叠加起来,从而实现高功率、高光束质量的激光输出,因此在遥感、跟踪、远距离光通信等领域中具有广泛的应用前景。研究了一维线阵平顶高斯光束的相干合成在大气湍流中的远场传输特性及能量集中度,推导出合成光束的光强传输及桶中功率、二阶矩束宽解析式。研究表明,合成光束随着传输距离的增加,最终演化为类高斯分布。湍流使得光束的峰值光强下降,下降量随着平顶高斯光束的阶数增大而增大。远场能量集中度随着湍流强度增强、光束阶数增大、占空比减小、阵列个数增加而下降。

半导体激光器光束谱合成效率的分析

针对半导体激光器的光束谱合成系统结构及其特点,利用Lang-Kobayashi模型建立的速率方程,在稳态情况下,推导出单个子光束经谱合成系统后的效率公式,并进一步讨论了多个光源经谱合成系统后的合成效率及其影响因素。研究结果表明:半导体激光器经谱合成系统的效率与半导体激光器输出端面和外腔输出耦合镜的反射率的相对大小、变换透镜和望远镜系统的透过率、闪耀光栅的衍射效率以及系统的耦合效率有关;在实际工程设计中,要尽可能提高变换透镜和望远镜系统的透过率、闪耀光栅的衍射效率以及系统的耦合效率,并综合考虑系统效率和光谱稳定性的要求,对半导体激光器输出端面和输出耦合镜的反射率进行优化设计。

“光纤激光光束合成”专栏序言

高强度的激光是激光技术发明50多年以来科研人员不变的追求和使命，可为人类提供前所未有的实验手段和极端物理条件，在惯性约束聚变、粒子加速、超高速现象研究等科技前沿以及先进制造和国防等领域都有广泛的应用需求，是激光领域最尖端科学与技术水平的代表。

固体激光器光束合成特性分析

光束合成是研制高功率、高光束质量固体激光器的必由途径。建立板条介质固体激光器阵列光束合成的理论模型,从子束间距、整体相位差、偏振态、随机像差等方面,分析了合成光束的远场特性。通过数值模拟可以看到,子束间距决定了合成光束远场光斑的衍射旁瓣的大小和多少;子束间整体相位差决定着合成光束远场中心光斑是否分离,并影响着峰值光强和x方向半径大小;偏振态差异决定了合成光束是否为相干合成或强度叠加;子束随机像差降低了合成光束的远场光斑峰值功率,并引起光束的弥散。分析结论对激光器研制中合理分配设计容差具有一定指导意义。

光学合成孔径系统的光束控制

本文给出真空中光学合成孔径系统光束控制的物理模型。计算机数值模拟结果与理论分析吻合。另外,对孔径的活塞型和倾斜型误差的影响也进行了探讨。

合成孔径系统光束的大气传输

利用光束的合成孔径系统,通过控制子孔径系统发射光束的相位,可以实现光束的快速瞄准、跟踪及合成.本文在已开展的真空中合成孔径系统光束控制研究工作的基础上,进一步揭示了光束合成孔径系统可以有效地消除大气湍流对光束传输的影响,给出了数值模拟计算结果和三维图形演示.

计算机控制下的多路激光束合成系统

在激光应用领域中 ,需要将多束不同波长的激光束同时作用于研究对象 ,多路激光束的合成多是采用手动操作反射镜 ,合成度靠人眼观测确定 ,可靠性难以保证。提出的计算机控制的多路激光束合成系统是分别将每束光路位置信号采集到计算机 ,并控制步进电机带动反射镜调整具体光路。该系统优点是结构简单、效果好 。

部分相干平顶光束的M^(2)因子、模分解及合成

推导出以模式间相互独立的厄米 高斯光束为基底的部分相干平顶光束的模系数和M2 因子的解析式,对部分相干平顶光束的模分解及合成进行了研究。研究结果表明,随着光束阶数M及表征光束相干性的参数w0 /ν0 的增加,基模的份额减小,M2 因子增大。采用模式间相互独立的厄米 高斯光束叠加的方法合成部分相干平顶光束的光强矩形分布与光束M2 因子二者无法同时兼顾,即若要求空间分布非常接近矩形,则光束的M2 因子较大,若要求光束的M2 因子较小,则只能降低对光强矩形分布的要求。在实际工作中,可以通过选择恰当的基底基模高斯光束的束腰尺寸以及控制各模式的光功率,由模式间相互独立的厄米 高斯光束合成部分相干平顶光束。

一种新的准封离式多管并联CO_2激光器及多光束合成技术

分析了准封离式多管并联CO2激光器结构设计和多光束合成中存在的问题,提出了一种新的多光束合成的方案.由于这种新的准封离式多管并联CO2激光器系统结构更加紧凑,所用光学元件少,因此可以减少光能量损耗和制造成本.

激光场相干叠加光束合成技术

光束拼接激光相干合成中,拼接占空比不高导致合成光束能量集中度不够理想,为了解决这个问题,提出了激光场相干叠加光束合成技术路线,设计了基于半反半透合束镜的多级激光场相干叠加光束合成方案。研究了子光束之间的光强差和波面误差对相干合成的影响,结果表明,激光场相干叠加光束合成中,对参与合成子光束的光强差、相位差的容差均不难满足:仅考虑单一因素时,子束光强相差三倍时合成效率仍可达90%,相位误差小于π/5时,合成效率可达到90.5%。搭建了基于半透半反合束镜的两束激光场相干叠加光束合成实验装置,实验验证了激光场相干叠加光束合成技术的可行性,在闭环情况下得到了稳定的合成光束输出,合成效率可达95%以上。