1 中国科学院上海天文台, 上海
2 中国科学院卫星与碎片观测重点实验室, 南京
3 华东师范大学 精密光谱科学与技术国家重点实验室, 上海
4 北京工业大学激光工程研究院, 北京
空间碎片严重威胁在轨运行航天器的安全, 并且对有限的轨道资源造成严重浪费。利用皮秒激光探测是高精度空间碎片激光测距的发展趋势。但是单脉冲运转的皮秒激光器峰值功率较高, 易损坏光学器件, 其能量与功率进一步提升难度较大。当皮秒激光以脉冲串方式运转时, 可将脉冲能量分散到每个脉冲上时, 不仅可以降低各单脉冲能量、避免器件损坏, 也使得进一步提高皮秒激光输出功率成为可能。因此, 脉冲串皮秒激光器对空间碎片的探测起到了重要推动作用, 近几年得到了广泛关注。对脉冲串产生方法及激光进行概述, 为从事超快皮秒激光研究人员及超快皮秒激光的应用提供技术参考。
脉冲串 皮秒激光 空间碎片 激光测距 pulse burst picosecond laser space debris laser ranging
北京工业大学材料与制造学部激光工程研究院,北京 100124
使用非球面透镜对高斯光束整形的方法已经非常成熟,可以根据入射光参数设计出特定的非球面整形镜。但在使用入射光束束腰以3 mm设计的非球面整形镜时发现,非球面整形镜不只适用于设计时的入射参数,在入射光束直径和发散角不同时,整形镜后均会有一个平顶分布最佳的整形位置,该位置随着入射光束直径的增大而远离整形镜,随着发散角的增大而靠近整形镜。为了探究最佳整形位置上整形结果的差异,利用控制变量法进行实验,发现入射光束直径和发散角对该位置上平顶分布的平坦因子没有明显变化,但是光束均匀性和边缘陡度会有最佳值,存在最佳入射参数。为了得到最佳整形位置与入射光束直径和发散角的关系,利用响应曲面法成功建立数学模型,当已知某入射位置处的光束直径和发散角时,可以快速得到最佳整形位置。
光束整形 非球面透镜 响应曲面法 beam shaping aspherical lens response surface methodology
北京工业大学材料与制造学部激光工程研究院,北京 100124
研究了窄间隔脉冲串同步泵浦条件下,基于KGd(WO4)2(KGW)晶体的反斯托克斯光的产生。采用KGW晶体作为拉曼晶体,脉冲串皮秒激光器作为泵浦源,波长为1064 nm,脉冲重复频率为1 kHz。采用平平腔、平凸腔、凹凸腔三种结构分别作为同步拉曼腔,分别研究了三种腔结构下产生反斯托克斯光的阈值。实验证明,同步拉曼腔采用平凸腔、凹凸腔结构时,产生了阈值低于二阶斯托克斯光的反一阶斯托克斯光的低阈值输出和高阶反斯托克斯光输出,其中平凸腔结构下高阶反斯托克斯光的阈值更低。
激光光学 皮秒同步泵浦拉曼激光器 受激拉曼散射效应 四波混频效应 反斯托克斯光 激光与光电子学进展
2022, 59(1): 0114001
北京工业大学材料与制造学部激光工程研究院, 北京 100124
为了获得多种类型聚焦光斑的分布,基于Richards-Wolf矢量衍射积分理论,分析了偏振转换和叠加对空心光束(HLB)聚焦光场的影响。理论上研究了空心光束(HLB)偏振态转换对应关系,利用数值模拟得到同阶空心光束叠加后在数值孔径不同时的四种偏振态空心光束(HLB)的聚焦光斑大小和形状的变化。其中圆偏振空心光束和垂直线偏振空心光束随着聚焦透镜数值孔径的加大,中空特性不发生变化,只是聚焦光斑大小发生变化; 水平线偏振空心光束和径向偏振空心光束随着数值孔径的加大,中空特性消失。此外,提出了矢量偏振空心光束转换为标量偏振空心光束的方法,实现了空心光束偏振态的转换并得到功率补偿,获得平均功率2.2 W激光输出,有望拓展在激光加工等领域的应用。
激光技术 空心光束 深聚焦 径向偏振光 偏振 laser technology hollow laser beam tight focusing radially polarized beam polarization
红外与激光工程
2021, 50(3): 20200038
1 中国科学院上海天文台, 上海 200030
2 中国科学院空间目标与碎片观测重点实验室, 江苏 南京 210008
3 华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室, 上海 200062
4 北京工业大学激光工程研究院, 北京 100124
超短皮秒脉冲的峰值功率高、大能量输出困难。通过将单个脉冲分成多个相邻的脉冲,可增大脉冲包络总能量,提高激光输出功率。设计并获得光-光转化效率为39.3%的单路锁模皮秒种子激光输出,提出将单脉冲分成多脉冲的方法,利用布拉格体光栅(VBG)脉冲展宽、多脉冲生成、再生放大、行波放大及频率转换等激光技术获得脉冲间距为1 ns、输出功率为10 W、脉冲包络能量为10 mJ、单脉冲脉宽约为100 ps、光束质量为1.67、重复频率为1 kHz的532 nm百皮秒四脉冲激光输出。通过激光模块泵浦产生的热透镜效应,并通过调节泵浦电流实现对激光输出发射角的连续精确调节,获得的最小发散角为0.2 mrad。将所设计方法应用在上海天文台空间激光测距站平台上,进行多颗空间碎片测距,测距精度最优为16.44 cm。该结果表明多脉冲可增大激光总输出能量、提高激光输出功率且可为空间碎片激光测距探测能力的提升提供有效的技术途径。
激光光学 皮秒激光 空间碎片激光测距 多脉冲 单光子探测
红外与激光工程
2020, 49(11): 20200044
红外与激光工程
2020, 49(3): 0305001
采用圆孔光阑和空间滤波-像传递系统相结合,实现了高效率的皮秒高斯光束到超高斯光束的整形。通过研究其中空间滤波-像传递系统中滤波针孔大小对整形效果的影响,获得了整形效率大于32%、200~500 mm传播距离内保持超高斯光束填充因子大于0.76传输的实验结果。随后对获得的超高斯光束进行放大,放大过程中通过利用侧面泵浦Nd:YAG晶体的热透镜代替放大光路中4F系统像传递系统中的透镜,简化了超高斯皮秒激光放大系统的结构,同时经过一级双通放大后,获得了近场填充因子0.72,单脉冲能量3.0 mJ,脉冲宽度11 ps,重复频率1 kHz,峰值功率密度8 GW/cm2的超高斯光束皮秒激光放大输出。
固体激光器 超高斯激光 光束整形 空间滤波像传递系统 功率放大 solid-state laser super-Gaussian laser beam shaping spatial filter-image relaying system power amplification 红外与激光工程
2019, 48(10): 1005012
全固态皮秒放大器的平均输出功率易受到增益晶体中自聚焦效应的影响。通过引入补偿元件—砷化镓(GaAs)片可以避免自聚焦效应造成的损伤,关于砷化镓的抑制机理对高峰值功率Nd:YAG晶体皮秒放大器系统的进行理论分析和实验研究。以公式计算得到了GaAs材料的非线性折射率系数,并由数值模拟给出了在抑制自聚焦的最佳效果下GaAs片厚度与Nd : YAG棒长度的关系。在入射皮秒激光束中心波长为1 064 nm、重复频率为1 kHz、峰值功率密度为12 GW/cm2的条件下,进行了不同厚度(200 μm和550 μm)GaAs片对抑制Nd:YAG棒自聚焦损伤的实验研究。通过优化GaAs片的厚度,该补偿方法在高峰值功率皮秒脉冲条件下,特别是对于Nd:YAG放大器显示出较高的效率。
自聚焦效应 非线性折射率系数 光学损伤 B积分 self-focusing effect nonlinear refractive index coefficient optical damage B-integral 红外与激光工程
2019, 48(9): 0905001