热畸变对正分支非稳腔的影响及补偿

根据非稳定光学谐振腔的几何光学理论 ,分析推导了正分支非稳腔由于热效应所导致的等效腔型结构的变化 ,给出了补偿热效应的腔型结构和相应参量 .

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。

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。

虚共焦非稳腔腔内失调因素分析及实验研究

在腔内失调理论分析基础上,采用Hartmann-Shack波前传感器实验研究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,但小的腔内倾斜扰动不会使输出光束的相位分布中的高阶像差发生变化。当腔镜垂轴移动偏离光轴时,可能引起某些Zernike高阶像差,如彗差和像散的增大,但首先带来的是Zernike倾斜像差,类似于引入腔内倾斜扰动时的结果。因此在做腔内像差自适应校正时,应首先考虑腔内倾斜像差的校正。该方法为腔内像差特性的研究和像差校正提供了一定参考。

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）。

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。

基于H-S波前传感器的正支共焦腔准直技术研究

采用H-S波前传感器对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,达到较理想的光腔共轴状态。

负支离轴共焦非稳腔过量噪声的研究

为了解决条状负支离轴非稳腔输出线宽增宽的问题,分析非稳腔的主要两个参量——有效菲涅耳数N_(eff)和几何放大率M与输出模式的过量噪声因子K取值的函数关系,从负支腔的具体结构出发,采用经典波动方程的理论唯像的将过量噪声因子表示成输出平面横模分布的泛函,利用边界衍射波的方法将输出横模近似地解析表述成N_(eff)和M的函数。利用该关系数值计算了K随N_(eff)和M变化的情况。结果表明,K随N_(eff)呈现准周期性变化,在N_(eff)≈s+0.85处(s为正整数)呈现周期性峰值,输出线宽将被增宽到自然线宽的2000倍左右。该研究对分析非稳腔的输出损耗是有帮助的,并为实际激光器的设计提供了参考。

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。

一种非稳腔调腔干涉条纹的建模与仿真

非稳腔的计算机辅助准直技术对于保证高能激光器运行参数的稳定性具有非常重要的作用。文章从理论上阐明了非稳腔调腔干涉条纹形成的物理机理,建立了正支共焦非稳腔内多光束干涉的物理模型,引入失调元件的增广矩阵来描述腔镜失调引起的椭圆高斯光束传输效应、高斯光束中心的偏移效应和附加的相位倾斜效应。使用高斯光束传输的ABCD矩阵计算了调腔光束在腔内多次往返后的高斯光束复参数,将多次往返的高斯光束进行相干叠加,获得了非稳腔不同失调角情况下的调腔干涉条纹图样,定量计算了不同失调角情况下调腔干涉条纹间距的偏移量,并与实验结果进行了对比分析。结果表明在实验误差允许的前提下,仿真得到的干涉条纹图样与实验获得的干涉条纹图样具有一致性,从而证实了理论模型的正确性。理论模型的成功建立使谐振腔的失调量与干涉条纹的形态变化精确对应起来,从而可以为非稳腔计算机辅助调节的闭环控制研究提供理论指导。

采用H-S波前传感器探测虚共焦非稳腔输出光束波前像差

在腔内失调理论分析基础上,实验研究了无源虚共焦非稳腔失调前、后输出光束波前像差特性。结果表明,用Hartmann-Shack波前传感器进行探测,并用模式法进行波前重构可以较好反映输出光束波前像差,虚共焦腔耦合输出调腔光的波前Zernike像差主要集中在前15阶,其中比较显著的像差有离焦Z3、低阶像散Z4和Z5、以及球差Z10。且腔内倾斜扰动对光束强度分布有显著的影响,可能引起某些Zernike高阶像差如离焦、慧差和像散的增加,但首先带来的是Zernike倾斜像差的增大。因此在作腔内像差补偿时,应首先考虑腔内倾斜像差的补偿。

腔内扰动对虚共焦腔模式的影响及Zernike像差拟合

为实现高功率或高能激光器输出良好的光束质量和能量,分析了腔内像差扰动对非稳腔模式的影响,采用数值迭代法理论计算了腔内倾斜扰动对无源虚共焦非稳腔输出模式强度和相位分布的影响,并采用 Zernike 模式法对光束相位进行了像差拟合分解,得到了前35阶像差系数,通过进一步计算得到点扩散函数和环围能量曲线等,从而全面了解输出光束质量。结果表明,对小菲涅耳数虚共焦型非稳腔,腔内倾斜扰动不仅带来输出光强分布的不均匀性,且对相位分布有明显的影响,使相位中的一些高阶 Zernike 像差如 A_3,A_7和 A_(10)等增大。计算结果对研究高能激光器腔内像差校正有一定参考意义。

准分子激光虚共焦非稳腔稳态理论研究

在Ｒｉｇｒｏｄ理论基础上建立准分子激光非稳腔稳态理论模型，通过测量不同泵浦条件下七种输出耦合的平行平面腔的输出光强，给出小信号增益系数ｇ＿０，非饱和吸收α以及饱和参量Ｉ＿ｓ，由此通过非稳腔稳态理论推算出不同放大率Ｍ的虚共焦非稳腔的输出光强Ｉ＿（ｏｕｔ），与实验结果基本吻合。

高斯正支共焦非稳腔光束质量测量结果与分析

利用美国Spiricon公司生产的M2-200 Beam Propagation Analyzer(M2仪)测量了氙灯泵浦Nd:YAG的正支高斯非稳腔脉冲激光器的腔长变化对输出光束质量的影响。简要叙述了M2仪的使用方法和测量过程,介绍了几种评价光束质量的物理量。通过观测和分析,正支高斯非稳腔腔长的变化会影响输出光束的质量。实验中发现,当腔长为78 cm时光束质量最佳,此结果与理论值78.6cm很相近。误差主要来自两个方面:一是谐振腔内等效透镜主面位置测量不准确;二是腔内含有晶体棒时,腔长计算不精确。离焦比较大时光束质量明显变差,M2和发散角都很大;与腔镜的失谐灵敏度相比,高斯共焦非稳腔对腔长的失谐灵敏度小,失谐容忍度大。通过测量结果的对比得出,用M2因子评价光束质量是一个较好的选择。

正支共焦非稳腔的自动准直调整实验研究

谐振腔的自动准直调整技术是实现高能激光器系统自动化的关键技术之一。在对正支共焦非稳腔自动准直调整方法的研究基础上,应用基于系统性能评价函数无模型最优化的随机并行梯度下降(SPGD)控制算法实现腔的自动准直调整。实验结果表明该方法可实现腔镜的闭环控制准直调整,其调腔共轴精度在一定程度上高于传统的人工调腔精度。

小镜法准直正支共焦非稳腔

介绍了小镜法准直正支共焦非稳腔的原理、方法和步骤，并将它与传统使用的几种方法进行了比较。实验分析结果表明：小镜法除兼容其它方法的优越性外。