针对光学行业的CAD设计软件技术, 尤其针对序列光学应用领域, 例如成像, 激光等行业目前仍然被国外占据主导地位和垄断状态。国内拥有多个强大光学技术团队, 包括基础理论和应用, 但是还没有一款可以满足应用的光学设计CAD软件。在经历了将近10年的准备和集中的项目开发, 一款高集成度的光学设计软件已经完成, 并将其命名为CAXCAD。软件目前实现了高效率的基础框架和多个模块的集成, 在核心光线追迹、几何分析评价、FFT PSF MTF衍射计算、DLS 优化、评价函数操作数, 多重结构、坐标断点离轴仿真等多个领域实现技术突破, 重点介绍了CAXCAD的分析功能和优化技术的实现, 尤其是针对MTF调制传递函数。

在半导体激光器的光纤耦合系统中, bar条的各发光点指向偏差(偏向角)会恶化光束整形效果, 显著降低光纤耦合效率。针对该现象提出利用引入修正角的楔形整形镜补偿发光点的指向偏差, 改善激光束的指向性和光束整形效果。通过ZEMAX软件模拟与实验验证,在光纤耦合系统中使用引入修正角后的楔形整形镜片, 其整形效果显著改善, 测量的光束参数积(BPPs)在快轴和慢轴方向分别为7.25 mm·mrad和5.05 mm·mrad, 聚焦光斑为148 μm×135 μm(包含90%能量)。该系统将单个bar条耦合进芯径200 μm、数值孔径(NA)0.2的光纤中, 在注入电流60 A时, 获得稳定输出功率53 W, 对应电-光转换效率为47%, 光纤耦合效率为87%, 相对于使用修正前的楔形整形镜片, 光纤耦合效率提高了7%。

研制了一种TEC制冷LD侧泵高能量、高光束质量、电光调Q全固态Nd∶YAG激光器。 在主振荡器中晶体棒的尺寸为φ7 mm×100 mm, Nd原子数比例为1.1%, LD泵浦的最大峰值功率为15 kW, 在重复频率为10 Hz时, 获得了350 mJ输出能量, 脉冲宽度为9.7 ns, 光束质量因子M2在水平和垂直方向分别为3.3和3.8。使用主振荡功率放大结构, 提高了最终的输出功率。第一级放大器Nd∶YAG晶体棒尺寸为φ7.5 mm×134 mm, 在输出重复频率10 Hz、泵浦电流80 A、泵浦脉冲宽度200 μs时, 得到最大单脉冲能量700 mJ, 脉冲宽度10 ns。第二级放大器Nd∶YAG晶体棒尺寸为φ8 mm×100 mm, 泵浦电流为80 A。最终我们获得了最大的单脉冲能量1 085 mJ, 脉冲宽度10 ns, 能量不稳定度小于3%, 测量的光束质量因子M2在水平和垂直方向分别为3.9和4.8, 实现了焦耳级高光束质量Nd∶YAG激光器的小型化、无水冷化。

为了获得高激光脉冲能量, 设计了高能脉冲激光放大系统。对该放大系统的输出能量、脉冲宽度、能量稳定度、输出脉冲宽度等进行了研究。首先, 进行四能级激光速率方程的分析递推出泵浦能量和储存能量、增益系数等的关系。接着, 进行了激光放大器的系统设计, 然后进行实验验证, 最后, 实验还进行了输出激光的性能测试。实验结果表明：在Nd∶YAG晶体棒尺寸为 8 mm×100 mm、Nd3+ 的掺杂浓度为1.1%、泵浦功率最大24 kW、重复频率为10 Hz、泵浦电流为80 A、泵浦脉宽为200 μs的条件下, 得到脉冲宽度10 ns、最大脉冲能量1 050 mJ的脉冲激光, 输出能量不稳定度<3%,通过刀口法测得水平和垂直方向光束质量M2分别是3.9和4.8。满足了高能量、无水冷、稳定可靠等要求。

报道了一种Nd: YAG调Q短脉冲激光器失稳现象的理论分析及实验研究。短脉冲调Q激光器运行过程中, 会有多种因素导致其不能稳定输出符合目标值的脉冲激光, 即出现失稳现象。实验过程中发现, 输出镜处的干扰光会导致短脉冲激光器出现失稳现象。在理论基础上, 对外界干扰光对短脉冲调Q激光器输出光特性的影响进行了模拟计算, 并进行了实验验证, 分别从能量和脉宽两个特性进行讨论。结果表明: 干扰能量越大, 造成失稳现象越严重, 干扰脉冲能量为60 mJ时, 短脉冲调Q激光器输出能量损失达15%以上, 脉宽展宽至1.15倍以上; 干扰脉冲注入时间节点越靠后, 失稳现象越严重, 在短脉冲调Q激光器的泵浦末端, 即调Q开关打开前注入能量为60 mJ、脉宽为10 ns的干扰脉冲时, 短脉冲调Q激光器可输出能量损失达到80%。

随着单管半导体激光器光纤耦合技术的不断发展, 为了进一步提高多单管半导体激光器的输出功率, 本文采用曲面空间排列方式对多个单管半导体激光器进行合束研究, 使更多数量的单管半导体激光器耦合进入同一光纤中, 获得更高的输出功率。文中利用ZEMAX光学设计软件进行仿真模拟, 将34只波长为975 nm、输出功率为10 W的单管半导体激光器合束聚焦后耦合进芯径200 μm、数值孔径0.22的光纤中, 获得耦合效率91.76%、输出功率312.03 W的激光系统。实验中, 将17只单管半导体激光器耦合进芯径200 μm、数值孔径0.22的光纤中, 在10.5 A的驱动电流下, 输出功率为100.5 W, 系统耦合效率为68.46%。

通过对行波放大器储能及小信号增益进行理论计算, 模拟出输出激光特性, 即随着放大器泵浦电流的增加, 放大器增益介质内储存能量和小信号增益系数快速增长,提取效率达到76%以上.输出能量随放大器泵浦电流的增加, 呈线性增长趋势, 在泵浦电流为80 A时, 输出光能量逐渐饱和, 最大输出能量为798 mJ.实验中, 放大器入射光源采用脉冲能量为350 mJ、重复频率为10 Hz、脉宽为10 ns的脉冲激光, 放大器中的Nd∶YAG晶体棒尺寸为Φ7.5 mm×134 mm, Nd3+的掺杂浓度为1.1%, 泵浦功率最大24 kW,使用三个最大功率为66 W的半导体制冷器进行半导体热电制冷,在重复频率为10 Hz, 泵浦电流为80 A, 泵浦脉冲宽度为200 μs时, 获得了最大脉冲能量为700 mJ、脉冲宽度为10 ns的激光输出,通过光束质量诊断仪M-200S测得输出光束在水平和垂直两个方向的光束质量分别是7.9和12.4.