针对先进光刻调焦调平传感器系统的增益系数工艺相关性开展理论仿真与实验研究。建立了增益系数工艺相关性理论模型,仿真分析了调焦调平传感器增益系数与测量误差随不同光刻工艺材料膜层厚度的变化规律。在自研实验系统上对表面涂覆不同厚度SiO₂薄膜的硅片样品进行了实验验证,发现实验与理论仿真得到的增益系数与测量误差随膜层厚度的变化规律一致。仿真与实验研究结果表明,调焦调平传感器的工艺相关性测量误差在SiO₂膜层厚度为250 nm和690 nm附近时分别出现约55.9 nm和36.6 nm的误差峰值。采用表面覆盖特定膜层的硅片来标定光刻机调焦调平传感器,可以有效减小增益系数工艺相关性的影响和测量误差。本研究结果对于光刻精密对焦控制、光刻工艺优化具有重要的参考意义。

针对高功率大口径Nd∶YAG板条放大器自发辐射放大(ASE)的问题,基于几何光学光线追迹手段,提出了一种简化的ASE三维计算模型,修正了荧光侧面的漫反射情况以及受激发射截面温度效应引入的计算误差。通过数值仿真确定了大口径板条(尺寸为150.2 mm×40.0 mm×2.5 mm)各个表面上的荧光反射对ASE效应的贡献权重,计算了不同泵浦功率下小信号的增益情况。通过板条放大实验分析了ASE效应对板条放大性能的影响,并与模拟结果进行对比,验证了计算模型的有效性。

在全正色散光纤激光器的基础上,数值研究了不同泵浦方式对抛物线脉冲产生的影响。建立了全正色散光纤激光器的模型,具体研究了不同泵浦方式下不同的增益可饱和能量以及增益带宽对激光器输出抛物线脉冲的拟合因子、脉宽、频谱宽度和脉冲能量的影响。结果表明,后向泵浦方式下激光器能输出更大能量的抛物线脉冲,而且能在更低的增益可饱和能量下产生抛物线脉冲。后向泵浦方式的全正色散光纤激光器可以在更大的增益可饱和能量范围内保持抛物线形脉冲的输出。全正色散腔中增益光纤的增益带宽对抛物线脉冲输出特性的影响较小。

利用主动调Q的自拉曼激光器,抑制主要频移拉曼模,使次级拉曼模受激拉曼散射输出新波长的拉曼光。首先,进行理论推导得到包含两个拉曼项的主动调Q归一化速率方程,由典型的实验装置参数和常用晶体参数对归一化拉曼增益系数、归一化损耗比、归一化初始反转粒子数进行取值。其次,通过数值模拟研究归一化参量对两束拉曼光脉冲的影响,找到可以实现次级拉曼模受激拉曼散射的参量取值范围。最后,利用实验参数计算得到的归一化变量值进行数值模拟,对结果进行分析并给出优化方案。

为了优化气体受激拉曼散射系统, 采用理论与实验相结合的方法, 对气体受激拉曼散射现象进行了研究。根据受激拉曼基本理论计算了CH4和D2在不同气压下的拉曼增益系数, 然后采用输出能量为70 mJ的Nd∶YAG三倍频355 nm激光进行了受激拉曼散射实验, 测量了在拉曼池气体气压为1×105~2×106 Pa, 焦距分别为500, 750 mm下的斯托克斯光的输出能量。发现CH4拉曼增益系数随气体压力升高而增大; D2拉曼增益系数在1×106 Pa左右达到最大值, 之后不随气压升高而改变。实验结果表明, 在气体受激拉曼装置中, 合理选择拉曼池气体气压和耦合聚焦透镜的焦距, 即甲烷气体系统选择长焦距高气压, 氘气系统选择长焦距低气压。理论计算与实验结果基本一致, 此研究对NO2差分吸收激光雷达光源系统的优化有着很重要的作用。

将基于周期性温度激励的主动控制技术引入“混合型气动CO2激光器(MGDL)”研究, 通过数值计算深入研究了周期性温度激励对MGDL主/副气流混合特性及小信号增益系数的影响。研究结果表明: 与未施加周期性温度激励的情形相比, 在MGDL副喷管出口位置施加特定幅值及特定频率的周期性温度激励后, 可以显著增强主/副气流的混合效果并大幅提高混合喷管中的小信号增益系数。激励幅值和激励频率对主/副气流混合特性及小信号增益系数有重要影响: 随着激励幅值的增加, 小信号增益系数先增大后减小; 在混合喷管下游区域, 文中所选的六种激励频率条件下获得的小信号增益系数均高于未施加周期性温度激励时的情形; 随着激励频率的增加, 主/副气流的混合效果越来越好, 但当激励频率增加到一定值后, 主/副气流的混合效果不再发生变化。

为了避免阳光背景干扰, 针对XeF(C-A)蓝绿激光水下应用需求开展了激光线宽压缩实验以提高信噪比。采用内置标准具的光栅谐振腔开展相关实验。利用光栅腔实现亚纳米级的激光线宽输出, 然后在此基础上, 通过插入标准具进行更精细的激光线宽压缩实验。利用光栅腔, 采用1 200线/mm光栅并提高光栅辐照面积可以实现0.14 nm的激光线宽输出。腔内插入反射率为50%的标准具, 可以进一步将激光线宽压缩至39 pm, 激光单脉冲能量约为65 mJ, 脉冲宽度为1 μs。实验结果表明: 尽管XeF(C-A)蓝绿激光器的增益系数较低, 但是通过优化光栅和标准具的工作参数, 对谐振腔光学损耗进行合理的控制, 激光器可以实现10 pm量级的激光线宽输出。

采用数值仿真的方法研究了增益系数对环形腔激光器输出特性的影响。首先给出了考虑横向效应后环形腔激光器模型的光强方程。进一步通过模拟仿真Lyapunov指数随增益系数的演化确定了激光系统的动力学行为, 并展示了考虑到光场的横向效应后环形腔激光器激光斑图的形成。最后, 通过模拟不同增益系数下的激光斑图来说明增益系数对环形腔激光器输出特性的影响。

利用边缘光线原理设计了基于非成像反射腔的棒状放大器，采用相同氙灯放电参数和钕玻璃棒尺寸，数值模拟了成像和非成像两种不同反射腔作用下放大器钕玻璃棒的储能密度，并实验研究了小信号增益系数，模拟和实验结果吻合度较高。非成像反射腔具有特殊光学结构，能够反射全部抽运光至钕玻璃棒表面，从而提升光电转换效率，减少废热产生，提高抽运效率和放大器增益性能，使放大器更加高效、经济。