“热像”效应是制约高功率激光系统,特别是惯性约束核聚变(ICF)激光驱动器安全运行和提高输出功率的瓶颈因素之一。在某些条件下,往往系统运行在典型的损伤阈值功率之下时,某些光学元件也会因为“热像”效应的存在而意外地遭受损伤。总结介绍了近年来关于“热像”效应研究的新进展,包括“热像”形成的衍射理论模型、薄片近似下的解析理论分析结果、厚介质及级联介质情况下激光“热像”的演化规律、多散射点形成“热像”的特点以及“热像”效应的抑制方法等。最后指出理论及实验上尚待进一步解决的问题。

提出了一种易于实现、高空间精度、实时测量激光端面抽运固体激光器端面热形变的干涉测量方法。在一块热效应非常小的光学玻璃与晶体的抽运面之间形成空气劈尖,利用参考光扫描晶体端面准确地测出了激光二极管(LD)端面抽运固体激光器中晶体的端面热形变。抽运功率为12 W,抽运半径为0.5 μm,抽运光束位于晶体端面中心时,晶体的伸长形变为0.645 μm,鼓出形变量为0.259 μm,总形变量为0.904 μm。鼓出形变小于伸长形变,且表面凸起形变总是叠加在轴向伸长形变之上。研究表明表面凸起形变部分较为平坦且占据端面中心大部分区域,并发现热沉的侧面导热情况决定了晶体的伸长形变量。

对横向塞曼双频激光器理论模型的建立及激光器参数的优化设计进行了研究,建立了连续激光器稳态工作时的激光阈值条件,得到了频率差与磁场、腔长之间的关系。选用激光管腔长为150 mm时,所加磁场应在0.03 T左右,磁场电流为1.3068 A,而管子的损耗为0.032,此时频差为1.3719 MHz。通过对理论数据的计算分析得出,为了提高频率稳定性,应合理选择磁场强度B并选定稳定性和均匀性很好的磁性材料。

中国科学院“计划”、国家自然科学基金(60677050,10604066)和国家重点基础研究发展计划(2007CB936603)资助项目。

为了实现固体激光器高功率、高光束质量的输出,设计了一种激光二极管(LD)阵列抽运的主振荡级与功率放大器(MOPA)结构的Nd∶YVO4激光器。该激光器的振荡级采用平-平谐振腔结构,并使用棱镜组对激光二极管阵列的抽运光整形,消除了激光二极管阵列抽运光不对称对振荡器输出光束质量的影响,在连续工作条件下获得了6.1 W的激光输出,其光束质量M2因子为M2x=1.14,M2y=1.13,光-光转换效率为25.6%。放大级采用具有近共焦、非稳腔特点的折叠光路结构,使振荡级激光光束10次通过放大级晶体,并且有效地抑制了放大自发辐射(ASE)和寄生振荡。在振荡级以6.1 W注入放大器时,得到最大输出功率26.8 W,此时放大器提取效率为29.1%,输出光束质量M2因子为M2x=2.08,M2y=1.92。

光纤耦合输出的高功率激光二极管(LD)模块作为光纤激光器的抽运源已经得到了广泛应用。为了进一步提高光纤耦合激光二极管输出功率,提出了利用激光二极管输出光束的线偏振特性,采用偏振复用技术,将两只高功率激光二极管输出光束经准直、复合、聚焦的光纤耦合方法。利用光线追迹法,分析了圆柱透镜对激光二极管发散光束的准直特性,并讨论了柱透镜的安装距离对准直性能的影响。根据激光二极管和光纤的相关参数设计了聚焦透镜组。采用这种方法将两只输出波长为980 nm的高功率激光二极管输出光束耦合进数值孔径0.22,芯径100 μm的多模光纤中,当工作电流为4.5 A时,光纤激光连续输出功率为6.36 W,耦合效率大于78%。

激光成像雷达主动发射激光,接收其反射回波,能成角-角-距离-强度像,较易于实现目标识别。激光雷达与被动红外(IR)成像结合可获取更多信息,并提高目标识别能力和抗干扰性。提出结合激光雷达距离像-强度像的像素级融合的相干激光雷达距离像与被动红外成像复合的目标分类方法,利用Dempster-Shafer(D-S)证据理论,采用八值距离像模板进行仿真研究。其中,模板匹配的相关系数采用基于最多近邻点距离(MCD)的方法求得。研究结果表明,结合激光雷达距离像-强度像的像素级融合的目标分类的不确定度降低,降幅达40%,并提高了不易分类目标类的识别能力;距离像八值模板比二值模板分类效果好,物体质量函数差提高60%。

提出了运用信号自相关矩阵特征值(EVD)/奇异值分解(SVD)的谱估计方法对法布里-珀罗(F-P)传感器的频分复用系统进行实时、高分辨率和低串扰的信号解调。从理论上分析了该方法对法-珀传感器复用信号解调的可行性,并在短采样数据长度条件下对两个传感器的并联复用信号进行了解调以及串扰的实验研究。实验表明,与离散傅里叶变换法(DFT)、Pisarenko等算法相比,该方法分辨率更高,在两传感器的腔长差低至20 μm时,运用该算法仍可以实现准确的解调,而因串扰引起的应变误差小于±12 με;此外,短的采样数据长度决定了该算法的运算量较小,信号处理速度较快。因此,该方案在大容量准分布式传感网络系统中将具有极大的潜在应用价值。

根据耦合波理论,在分析分布反馈(DFB)光纤激光器纵模特性的基础上,着重阐述其偏振特性。另外给出了偏振态同耦合系数和双偏振态相移量差的关系。理论分析结果表明,当分布反馈光纤激光器输出为0阶模时,输出激光的偏振状态由耦合系数和双偏振态的相移量差共同决定,即在耦合系数一定的情况下,通过增加双偏振态相移量的差,或在双偏振态相移量差一定的情况下,通过减小耦合系数,可以实现单偏振输出。实验中在经载氢处理的掺铒光纤上制作分布反馈光纤激光器,由于耦合系数较大和双折射效应过小,输出为双偏振态。

光栅复制是降低光栅制造成本,提高产量的一条有效途径。研究了利用紫外压印技术复制微结构光栅的方法。使用玻璃基底矩形浮雕结构的微结构光栅作为母光栅,给出了利用聚二甲基硅氧烷(PDMS)制作光栅模具和在光敏聚合物材料上复制微结构光栅的详细过程。经过优化工艺条件,成功地复制了一系列不同周期和开口比的微结构光栅,测试了复制光栅和母光栅的衍射图像和0级与±1级的衍射强度,结果表明,复制光栅和母光栅的衍射图像与光强分布基本一致。

基于大口径片状Nd∶YAG介质,采用双色膜技术设计并研制了高效率V形有源镜(AM)激光器。该激光器有四个模块,每个模块包含两片大口径Nd∶YAG片状介质。实验结果表明,四模块工作时,该激光器的脉冲输出能量为47 J,全系统效率达到了1.2%,斜率效率约1.3%,与理论预期值符合。同时利用该激光器的模块化设计特点,重点研究了单脉冲激光输出与模块数目的定标放大关系。结果表明,激光器的输出能量与模块数目基本呈线性关系,显示出该多模块有源镜激光器的定标放大优势,适合高平均功率运转。

利用声光调制器(AOM)的偏频特性,以CH4分子吸收线R9支一条强吸收线(λ=1.6378 μm)作为参考频率,实现了对外腔式半导体激光器的无调制频率锁定。实验中在100 s内典型的频率起伏小于5.6 MHz,较激光器自由运转时的频率起伏34 MHz有了显著的改善,而误差信号的阿仑(Allan)方差平方根(即稳定度)在平均积分时间为16 s时达到最小值5.75×10-10。该方法实现了基于气体分子吸收线的半导体激光器无调制锁频,并且CH4分子在1.6～1.7 μm处有丰富的振转光谱,满足光纤通信中对激光器输出波长的要求,可应用于光纤通信中激光光源的频率锁定。

结合双包层掺镱光纤(YDCF)和主振荡功率放大(MOPA)技术,利用熔融拉锥的光纤侧面耦合器,设计和实验研究了全光纤结构的脉冲光纤放大器。在不同重复频率时,通过放大脉冲激光的输出光谱,对输出脉冲激光中的剩余抽运光和受激拉曼散射光功率进行了修正;并研究了激光脉冲的时域特性,以及在脉冲放大过程中对输出激光脉冲宽度的压缩作用。获得输出放大脉冲激光的主要参数：峰值波长为1075 nm,脉冲宽度为18～300 ns,重复频率为5～20 kHz,峰值功率达9.87 kW,斜率效率达52.2%,光束质量M2=2.0。同时,制作完成了一台结构紧凑、全光纤结构的脉冲光纤放大器样机,其最大外形尺寸为370 mm×270 mm×90 mm。

为了消除格兰-泰勒(Glan-Taylor)棱镜(GTP)空气隙造成的干涉并提高透射比,设计并制造了一种改进型格兰-泰勒棱镜。在设计中应用了菲涅耳理论、布儒斯特定律。新棱镜改变了第二劈的结构角使e光以布儒斯特角入射第二劈入射面。为了尽量减小新棱镜的偏离角,还设计了补偿角。理论和实验均证明相对于原格兰-泰勒棱镜,新棱镜在宽光谱范围内有更高的透射比。由于新棱镜中空气隙尖角较大,达12.65°,并且e光以布儒斯特角入射第二劈,所以无干涉现象。实验证明,新棱镜旋转时透射曲线无明显抖动,入射光波长在540～670 nm频谱范围内变化时,新棱镜透射光束的偏离角小于5′。

为改善衍射光学器件(DOE)在均匀照明系统中的应用性能,提高元件优化设计的效率,提出了衍射光学器件的空间频域优化设计方法。基于对均匀照明系统焦面输出光强分布的空间频谱分析,从空间频域的角度,指出通过控制焦斑中的低频调制成分,能够进一步提高实际均匀照明的效果。在此基础上,该优化方法通过在频域内设定优化目标和费用函数,来确定优化方向,可以有效减少输出光强分布中的低频调制成分。应用该方法所得一维多台阶相位型衍射光学器件的设计结果表明,在考虑空间20 μm匀滑后,焦斑主瓣光强均方差为3.3%。与已有空间域优化方法的对比表明,在元件实用效果方面,空间频域优化设计方法优于空域方法。

根据光脉冲在离散随机介质中的传输理论,应用米氏理论和蒙特卡罗方法,研究了不同能见度情况下1.06 μm脉冲激光在沙尘暴中的传输特性。得到了双频互相关函数的幅度和相位随相干带宽、脉冲时域展宽和延时随能见度的关系。结果表明,脉冲的展宽和时延随沙尘暴能见度的变化非常显著。当能见度为3～5 km时,多重散射对脉冲双频互相关函数、脉冲展宽和延时的影响已较明显。当能见度小于1 km时,对于1 ns的输入脉冲,其展宽大于10 ns,延时大于15 ns。因此,当沙尘暴的能见度较低时,必须考虑多重散射对激光脉冲频域及时域特性的影响。

采用双中心记录方案在双掺杂LiNbO3∶Fe∶Rh晶体中实现了近红外非挥发全息记录,研究了LiNbO3∶Fe∶Rh晶体在633 nm,752 nm,799 nm波长下的全息记录性能。结果表明,在使用近红外记录光时,其记录灵敏度随敏化光强的变化趋势与双中心短波长记录时的不同。通过和LiNbO3∶Fe∶Mn等传统双掺杂铌酸锂晶体的近红外波段记录效果对比,发现同时掺杂Fe和Rh可增强晶体对近红外光的吸收,获得更高的浅中心Fe光生伏特系数,从而能够在LiNbO3∶Fe∶Rh晶体中实现近红外波段的光折变全息记录。

研究了在双掺杂LiNbO3∶Fe∶Cu晶体中进行双色全息存储时记录初始阶段振荡现象的形成过程,认为敏化后的晶体深浅能级的电子分布达到了一种动态平衡状态,在记录开始时引入调制红光照射晶体导致了浅能级大量电子被激发,使深浅能级的电子数目向一种新的平衡状态转化。理论分析了利用振荡阶段浅能级电子数密度随记录时间递减的特点进行等时曝光,实现等衍射效率的全息复用的可行性,并在实验上在双掺杂LiNbO3∶Fe∶Cu晶体中利用100 s等时曝光实现了15幅全息光栅的等衍射效率复用。结果表明,利用双色存储中的振荡阶段浅能级电子数目逐渐减小的特点,采用等时曝光就可以实现小规模的等衍射效率全息复用记录。

提出了一种基于数字全息技术和相位恢复算法的信息加密方法。运用相位恢复算法得到数字全息图的纯相位频谱分布,实现了对全息图的加密;对纯相位频谱分布实施逆傅里叶变换(IFT)则可以得到解密后的全息图。利用菲涅耳近似法和卷积法对解密后的全息图进行数字重构得到了再现像。该加密方法区别于常用的随机相位加密方法,不再需要制作随机相位板。实验结果表明,该加密方法既适用于对二维图像加密,也适用于对三维物体进行加密。

全息干板的感光过程涉及到银原子和光电子的动力学过程,这些动力学特性决定了全息干板对不同曝光时间尺度具有不同的感光效率。介绍了用随机过程方法建立的全息干板时间响应理论模型,用该模型分析了Slavich VRP-M型全息干板的时间响应特性并进行了数值模拟。设计了三套不同的曝光实验装置用于时间响应特性的研究,给出了8个时间点的实验数据,在曝光量不变的情况下,曝光时间范围为0.5 ns～10 s。实验结果与理论结果比较吻合,表明全息干板在曝光过程中存在低照度和高照度互易律失效。最后简要分析了互易律失效对全息照相的影响。

相位漂移是干涉型光纤传感器实际应用中遇到的关键问题之一。提出了一种基于线性控制原理的无源解决方法,利用干涉仪的输出信号得到一个误差信号对光源波长进行调节,在非平衡干涉仪中产生一个补偿相位,对各种噪声引起的相位漂移进行补偿,从而使干涉仪一直工作在最灵敏的地方,实现了无源线性检测。搭建实验系统,利用该方法对某一干涉型光纤水听器进行了测试,结果表明该光纤水听器被很好地控制在正交工作状态,获得了稳定的输出信号。在20～2500 Hz频率范围内,该光纤水听器的声压灵敏度为-156.5 dB(0 dB=1 rad/μPa),频响波动<±1.2 dB,与采用相位载波(PGC)调制解调方法测得的结果一致,从而验证了该方法的可行性。

高精度时间间隔测量单元(TIU)是星载激光测距仪的关键部件。基于现场可编程门阵列(FPGA)研制出了满足星载要求的高精度、高集成度时间间隔测量单元。该单元采用数字计数法结合数字延迟线插入法的技术,在0.5～10 km的测量距离范围内,时间分辨率为500 ps。通过地面检测,在全程范围内保持了良好的线性度,标准偏差小于270 ps。该单元同时具备测量脉冲回波宽度的能力,可以获取目标的脉冲展宽信息。由于单元选用的元器件都具有航天产品性能,因此其设计和技术指标可满足星载激光测距仪的应用。

提出了一种精确测试电吸收调制激光器(EML)集成芯片高频特性的方法。待测芯片制作在带有微带线的热沉上,同时采用光探测器作为光电转换器,二者构成待测双口网络。被测双口网络的一端是共面线,使用微波探针作为测试夹具加载信号,另一端是同轴线,两个测试端口不同,不能采用简单的同轴校准方法校准待测系统。测试过程中采用扩展的开路-短路-负载(OSL)误差校准技术对集成器件的测试夹具微波探针进行校准,扣除了测试中使用的微波探针对集成光源高频特性的影响,同时采用光外差的方法扣除了高速光探测器的频率响应对结果的影响,得到集成光源散射参数的精确测试结果。

热透镜效应对固体激光器的性能影响很大,准确测量热透镜焦距对固体激光系统的设计有重要意义。考虑热致双折射效应,利用等效谐振腔的g参数坐标图进行分析,推导了三种不同腔型结构下径向热透镜焦距和切向热透镜焦距系数的计算方法,分析并得出了测量热透镜焦距系数所需的腔型结构。实验采用Nd∶YAG作为激光晶体,三组激光二极管互呈120°侧向抽运。实验结果表明,在非对称平-平腔中,当激光晶体相对于两面腔镜位置不同时,谐振腔输出功率会出现不同的变化趋势,测量出径向热透镜系数为31.76 m·W和切向热透镜系数为42.26 m·W。实验验证了理论分析的正确性。

钨酸钆钾(KGd(WO4)2,简称KGW)是一种新型的激光基质材料。以Yb3+作为Ho3+的敏化剂,采用泡生法生长出了单斜晶系的Ho∶Yb∶KGW晶体。通过X射线衍射仪(XRD)分析确认所生长的晶体为β-Ho∶Yb∶KGW。热重与差热分析(TG-DTA)测试结果表明,晶体的熔点为1072.31 ℃,相变温度为1043.09 ℃。测试了晶体的吸收光谱,对吸收峰值归属进行了确认,计算了相应的光谱参数。Yb3+在981 nm处吸收峰较强,半峰全宽(FWHM)为14 nm。从荧光光谱可以看出,在1022 nm附近,Yb3+发射主峰的半峰全宽达16 nm,对应的是Yb3+的2F5/2和2F7/2的能级之间的跃迁;Ho3+在1985 nm处的荧光发射峰半峰全宽为45 nm左右,发射截面积为1.79×10-20 cm2。

介绍了碳化硼陶瓷加工中存在的主要问题,将激光技术应用于加工碳化硼陶瓷上,研究出一种新型加工方法,设计出两种有效的激光切割方法并对碳化硼陶瓷进行切割。在实验基础上分析了激光加工参数对加工的影响,采用扫描电镜(SEM)对各种激光切割工艺的断口进行分析和讨论,提出激光加工碳化硼陶瓷的自行断裂机制。实验结果表明,在特定的功率下激光能够用来加工碳化硼陶瓷厚板。对于厚度为5.5 mm碳化硼陶瓷板,Nd∶YAG激光平均功率为130 W时,激光束沿同一位置重复走刀两次即可切断,最高切割速度可达到120 mm/min,可以做到无微裂纹切割。

利用短脉冲激光对LY12CZ航空铝合金进行了窄条激光喷丸(LP)成形。激光脉冲参数:波长为1.06 μm,脉冲宽度为23 ns,光斑直径为7 mm,输出能量为22 J。试样外形尺寸为100 mm×25 mm×2 mm,喷丸窄条宽度为7 mm,条带内相邻光斑的距离为4 mm,相邻喷丸条带中心间距为15 mm。利用弧高仪测试样变形后的变形量,用X-350A残余应力测试仪测其残余应力,用HVS-1000硬度计测其显微硬度和用Taylor Hobson-5M测表面粗糙度。实验结果表明,试样经激光喷丸后,变成了曲率半径为1.87 m的单曲率件,冲击硬度得到提高,喷丸条带内的表面粗糙度值增大,但仍然保持光滑,试样上下表面的残余应力均有显著提高,其激光喷丸面的残余应力平均增加了250% ,下表面平均增加了75%,喷丸条带内的硬度平均值增加约40%。

针对激光等离子体冲击波清洗颗粒技术中的滚动移除机制缺陷,提出一种基于颗粒弹性形变的弹出移除模型。从冲击波与颗粒相互作用出发,考虑冲击波波后气体分子与颗粒的碰撞,结合颗粒弹性储能机制,得到弹出所需要的最小弹性形变高度。根据颗粒弹出所需最低速度和冲击波基本关系式得到满足颗粒弹出要求的冲击波马赫数,结合冲击波波后压强分布特点给出了颗粒弹出所需的外部条件。清洗实验证实了颗粒弹出移除机制的正确性。

由于a轴切割Nd∶YVO4晶体的非对称性,使得激光二极管(LD)端面抽运Nd∶YVO4固体激光器不同于Nd∶YAG激光器,输出的激光经常产生非对称结果。用有限元法分析激光二极管端面抽运a轴切割Nd∶YVO4固体激光器的晶体热效应,包括温度分布、内部应力和产生的形变。分析结果表明端面抽运a轴切割Nd∶YVO4晶体产生了椭球热透镜效应。从结构方面和抽运方面提出了热透镜非对称性的平衡方法,实验验证了方法的可行性。