采用晶体热键合方法加工制作了YAG/Nd:YAG/YAG单包层平板波导,波导晶体几何尺寸为12 mm×5 mm×1 mm,其中中心掺杂层Nd:YAG厚度约为0.2 mm,对称外包层YAG厚度约为0.4 mm。采用一种新的抽运方法—棱边倒角面抽运方法对晶体进行抽运:波导晶体的一条12 mm长棱边加工成大小为12 mm×0.3 mm的倒角面,快轴准直抽运激光二极管(LD)发出的抽运光经聚焦后从倒角面入射进入晶体,抽运吸收效率约为82%。激光器谐振腔采用平-平腔,其中全反镜直接在波导晶体端面镀高反膜实现,输出镜尽可能靠近晶体另一端面,腔长约12mm。当输出镜透射率为6.6%,激光二极管抽运光功率约为49.5 W时,得到输出激光功率13.6 W,光-光转换效率约27.5%,导波方向光束质量M2因子1.9。激光器实现了较高的光-光转换效率和较好的导波方向光束质量。

在保持间接驱动光束排布结构及束数不变的条件下,通过对各路入射光横截面强度分布进行调整,消除多光束叠加后球靶表面光强大尺度的不均匀性。建立了描述球靶表面多光束叠加分布的计算机模拟平台。根据光束入射条件,计算出多束光在靶面叠加后的光强分布及其不均匀度。利用加权平均的思想,得出实现均匀强度叠加所需要的各入射光焦面强度分布状态。根据激光传输理论,计算出可实现球靶均匀辐照的进入靶室聚焦透镜之前的光电场分布。

腔内像差扰动对激光器输出模式有显著的影响,直接带来输出光束质量和能量的下降。采用数值迭代法分析了正支共焦腔腔内倾斜扰动对耦合输出相位模式的影响,并采用泽尼克像差对波前相位进行了拟合,得到前35阶泽尼克系数、点扩展函数(PSF)和环围能量曲线,从而全面反映光束质量。并采用哈特曼-夏克(Hartmann-Shack,H-S)波前传感器进行了实验定量测定,用模式法进行了波前复原计算。针对腔内低阶像差校正问题进行了原理性实验研究,建立了控制腔内凸镜的像差校正系统。结果表明,控制系统对腔内准静态像差扰动闭环效果较好,输出光束前10阶泽尼克像差、波前畸变的峰值(PV)和均方根(RMS)值均得到明显减小。

将调Q的Nd:YAG激光脉冲聚焦到FC-72介质池中,利用电荷耦合器件(CCD)和数字图像处理技术,实验研究了后向受激布里渊散射(SBS)光斑的光强分布,获得了其光强分布及光斑大小随入射能量的变化规律。结果表明,在入射光束为基模高斯光束的条件下,随着入射光能量增大,受激布里渊散射光斑的空间光强分布由近高斯型变为高斯型。并且受激布里渊散射光斑大小总体上是随着入射光能量的增大而逐渐减小的。当入射能量在受激布里渊散射阈值附近时,受激布里渊散射光斑大小达到最大(大于入射光斑);当入射能量为3倍阈值以上时,受激布里渊散射光斑大小达到最小(小于入射光斑)。

研究了波导自成像的特点和它在激光相干合成中的可能应用。基于波导的相位传播常量,应用模式传输分析方法,对波导自成像的形成过程进行分析与模拟,确定了几种正规波导的自成像长度及成立条件,归纳了波导自成像的特点,并应用方形和正三角形波导进行了多路光束的合成模拟。结果表明,利用波导自成像现象进行相干合成,可以提升光束的输出功率,保持高质量光束的传输,是实现高功率激光输出和近衍射极限光束质量的有效途径。

对纳秒级宽带KrF激光脉冲的时间整形进行了研究。采用受激布里渊散射(SBS)脉冲压缩KrF激光获得短脉冲,通过脉冲堆积获得KrF激光时间整形脉冲。利用激光放大器对整形脉冲进行放大,对KrF激光整形脉冲的形状影响较大。通过对放大前整形脉冲形状的调整,在放大后可以得到所需形状的整形脉冲,一次放大能量输出可达50 mJ,二次放大能量输出可达300 mJ。理论分析与实验结果一致。研究表明,短脉冲堆积和放大器放大的组合方案具有较强的整形能力。

设计了一种应用于KrF准分子激光波面整形的二元光学元件(BOE),实现了将波面整形变换为巴特沃斯(Butternorth)分布。采用盖师贝格-撒克斯通(Gerchberg-Saxton,GS)算法实现优化设计,使用MATLAB软件模拟入射和出射光场。通过对比迭代次数分别为10、100和1000次的模拟结果,研究盖师贝格-撒克斯通算法中迭代次数对整形效果的影响。模拟出迭代次数为106次的整形结果,并且得到二元光学元件的相位分布。模拟结果表明,出射光场呈巴特沃斯分布,实现了波面整形,矩形光斑能量占总能量的75.62%,能量的利用率较高,其均匀性的均方根(RMS)误差为0.1394%。

星间光通信中,波前畸变是影响信号光远场特性的主要因素。分析了球差和彗差对信号光远场分布、天线接收光功率的影响,引入了畸变衰减因子,给出了畸变衰减因子与波前畸变均方根(RMS)值的关系。理论分析和数值仿真结果表明,球差和彗差畸变越大,对天线接收功率的影响越大。在天线对准的条件下,当彗差和球差畸变均方根值分别约为0.120λ和0.135λ时,天线的接收功率为无畸变时的1/2。彗差对天线接收功率的影响主要是峰值移动造成的,球差对天线接收功率的影响主要是次峰的增强造成的。

利用879 nm新型激光二极管(LD)抽运Nd:GdVO4晶体,在室温下实现了4F3/2→4I9/2准三能级激光谱线跃迁。对掺杂原子数分数0.2%,3 mm×3 mm×3.8 mm的晶棒,在抽运功率为33 W时,获得912 nm最大输出2.5 W,斜率效率11%,相应的对吸收抽运功率的斜率效率达38%;对掺杂原子数分数0.2%,3 mm×3 mm×5 mm的晶棒,在抽运功率为33 W时,获得912 nm最大输出功率3.0 W,斜率效率16%,相应的对吸收抽运功率的斜率效率达45%。在腔内插入声光(AO)Q开关,当重复频率为10 kHz时, 获得了脉冲宽度为22 ns,平均功率为660 mW,峰值功率达3 kW。理论上分析了晶体的长度、浓度与准三能级激光器振荡阈值的关系,讨论了再吸收损耗对激光器的运转状态产生的影响,并通过实验观察了再吸收损耗的饱和效应。

提出了一种实现高非线性光子晶体光纤(PCF)的新方法,即在空芯光子晶体光纤(HC-PCF)的纤芯空气孔中填充高折射率、高非线性折射率的液态物质三氯甲烷、甲苯、二硫化碳等。利用全矢量有限元方法分析了这种液芯光子晶体光纤的模式分布及色散性质,分析得出其零色散波长可在800 nm左右调节,因此可使中心波长800 nm的钛宝石飞秒脉冲激光在这种光子晶体光纤的反常色散区传输,有利于超连续谱的产生。而且由于填充后光子晶体光纤具有较高的非线性系数,较小功率的脉冲激光就可在几毫米长的这种液芯光子晶体光纤中得到频谱范围大于1000 nm的超连续谱。

设计蝶形多模干涉(MMI)耦合器时,需要根据所要求的功率分割比率确定器件的结构参量。作为矩形多模干涉耦合器的特征参量的耦合长度,通过数值分析对称干涉型矩形多模干涉耦合器的成像位置而得到,从而可利用模传输分析(MPA)法的公式设计出蝶形多模干涉耦合器的理论预期结构。使用有限差分波束传输法(FD-BPM)对设计参量进行校正,并且数值算出器件实际实现的功率分割比率。针对基于SOI晶片的设计实例表明,仿真得到的蝶形多模干涉耦合器的长度较理论预期大2～4 μm,实际实现的功率分割比率较理论预期值低且器件形状越偏离矩形,其值相差越大。

在高功率脉冲光纤放大器中,由于增益介质长,抽运功率高,脉冲间隔产生的放大自发辐射(ASE)严重限制了光纤储能能力和可提取能量的提高。针对低重复频率、强抽运的条件,以稳态速率方程为理论基础建立了脉冲放大器模型,利用理论模型对脉冲放大器性能进行了分析,着重讨论了不同的数值孔径、激光功率填充因子、端面反射率、纤芯直径、光纤长度、抽运功率等参数对放大自发辐射的影响。讨论了光纤的储能、增益和可提取能量等的变化规律,给出了掺镱光纤中最大可提取的单脉冲能量以及放大器增益。

针对高功率密度运转下的光纤激光对其适用的光纤器件的许多特殊要求,设计了高功率密度下光纤性能的测试系统。综合比较论证了截断法、插入损耗法、后向散射法三种测试方法。基于插入损耗法设计了双光路光纤测量系统,通过双光路同时测量被测光纤和参考光纤的插入损耗,利用参考光纤光路监控校准输入信号光功率,提高测量精度。对系统的测试方法和测量参量理论上进行了推导和说明,分析了系统的传输效率,设计测量精度可达到插入损耗不大于0.5 dB,回波损耗不小于50 dB。

寻找一种具有快的二次谐波产生(SHG)的偶氮掺杂聚合物和合适的极化条件是目前多数研究的重点。用全光极化的方法研究了主客体掺杂偶氮染料旋涂膜二次谐波产生的特性。实验结果表明:对硝基苯偶氮甲苯二酚(NBMR)掺杂到聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和聚醋酸乙烯酯(PA)两种不同的聚合物旋涂膜中,相同的膜厚全光极化时二次谐波信号达到饱和所需的极化时间不同,主体是聚甲基丙烯酸甲酯的比聚醋酸乙烯酯的约快15 min。对于同一样品,极化条件光强比为9比为30要好。对于同一主体(聚甲基丙烯酸甲酯)不同客体不同膜厚的旋涂膜,二者的二次谐波信号随极化时间的变化规律基本相同:随着极化时间的增加信号增大,而增大到一定程度样品的二次谐波信号达到饱和,信号不再增加,随着极化时间的进一步增加信号反而有所减弱,最后趋于稳定的状态。

要降低半导体激光器阈值电流密度和提高外微分量子效率,其中采取的主要方法之一是在发光芯片的两个端面选取适当的能量反射比。根据光学薄膜的设计理论,优化膜系结构,并采用电子束离子辅助蒸发技术,选取合适的薄膜材料,在条宽100 μm,腔长1 mm的850 nm半导体激光器发光芯片的两个端面沉积光学介质膜。其作用不仅获得一定的光谱特性,而且可以使发光腔面钝化。经过反复实验优化薄膜沉积的工艺参量,可以减少膜层材料的吸收,提高膜层的激光损伤阈值。经测试采用此方法制作出的高亮度半导体激光器使用寿命明显提高,发光芯片的输出功率可达3.7 W,与未镀膜的器件相比功率提高了2.8～3.1倍。

VO2膜作为相变温度最接近室温的热致相变材料,相变前透过率高,探测器可正常工作,吸收来袭激光能量相变后透过率低,起到保护探测器作用,可用在激光防护领域。膜层厚度对透过率有很大影响,采用吸收膜的特征矩阵方法加以分析,通过VO2膜的折射率及消光系数等光学参数,计算出薄膜相变前后透过率。按照符合透过率相变前75%,相变后5%的薄膜,计算出厚度,结合对溅射产额和溅射速率的计算,可得到制备时间。在硒化锌基片上制备了VO2膜,用红外分光光度计测量出相变前后透过率为79.2%和12.3%。样品经轮廓仪测量得到的厚度与计算得到的厚度基本相符。

腔面光学灾变(COD)是影响半导体激光器高功率输出和可靠性的重要问题。不同腔面膜的器件,其腔面光学灾变阈值差别很大。使用离子辅助沉积(IBAD)的工艺可以使基片表面更清洁,膜层更为牢固致密,同时可以改善由吸收、散射等损耗带来的激光输出功率下降。采取N2氛围中在激光器的腔面上涂镀不同的增透膜与介质高反膜来提高腔面光学灾变阈值。 以980 nm半导体激光器为例,进行对比实验,从老化结果中可以看到不同工艺与不同材料选择下腔面膜的腔面光学灾变的明显改善。

采用20 kW CO2激光器对不锈钢厚板进行了焊接实验研究。发现激光束焦点位置在高功率输出时存在漂移,为简便地描述焊接位置,以聚焦镜中心与材料表面的距离h作为焊接位置的表征,研究了不同h时的焊缝成形及熔深变化情况。此外,万瓦级激光焊接对聚焦系统更加敏感,在聚焦镜焦距f=300 mm时不同焊接位置处的焊缝成形差别小,且熔深浅,深宽比小;在f=200 mm时不同焊接位置处焊缝成形变化明显。采用f=200 mm聚焦系统,在h＝208 mm、激光功率P＝18 kW、焊速v＝2 m/min时对12 mm厚1Cr18Ni9Ti实现了对接单道焊透,焊缝成形良好。结果表明:通过优化工艺参数,在不开坡口和未填充材料的情况下,采用20 kW CO2激光器可以实现12 mm不锈钢厚板的对接焊,焊缝成形良好、深宽比大、热影响区小,得到了较为理想的焊接接头。

为了获得满足2 μm相干多普勒激光雷达使用的激光光源,进行了注入锁定固体激光器的实验研究。种子激光器采用双端镀腔膜的Tm,Ho:YLF微片晶体,在低温液氮环境下,获得单纵模稳频激光输出。从激光器采用有利于单纵模运转的环形腔结构,并利用熔融石英声光调Q获得脉冲输出。通过注入锁定,实验获得激光输出波长为2.067 μm,在重复频率大于20 Hz时,激光器的最终单脉冲输出能量2 mJ,脉冲宽度为146 ns。实验论证了注入锁定系统激光器作为雷达光源的可行性,并理论分析了种子注入时环形腔内的初始光场分布。

农业用的塑料微喷灌管上要加工0.3～1 mm的小孔,传统的机械冲孔方式不能很好地满足质量要求。用激光在微喷灌管材上打孔,有对材料适应性好,加工效率高,孔口无毛刺等优点, 提高了产品质量和产品种类。实验采取连续光纤激光和脉冲光纤激光对聚乙烯(Polyethylene,PE)管进行打孔,得到了激光功率与加工孔径之间的关系和能量通量与加工孔径之间的关系。最后,用连续光纤激光和脉冲光纤激光均能够加工出符合要求的孔。

设计了一套多狭缝(MS)条纹管成像系统\.在成像过程中,激光经扩束之后照射到目标上,目标的反射光经过接收系统聚焦在光纤图像变换器上,将面图像变换为线图像后,耦合到条纹管光电阴极上,在条纹管的偏转电压作用下,对不同距离目标回波信号进行不同程度的偏转,再经过图像的还原,获得不同目标的距离像。在图像的还原过程中,条纹管在荧光屏上的成像失真问题严重影响图像的恢复能否成功。对条纹管成像失真原因及其对图像还原的影响进行了分析,模拟了条纹像出现不同失真时对图像还原的影响,结果表明,条纹图像的拉伸达到5%左右或者局部倾斜达到0.5%时即可对目标图像的还原造成明显的影响。

讨论了将脉冲信号积累应用于相干激光雷达的具体方法,并利用Simulink软件平台对信号处理过程进行仿真。由仿真结果可知,在相应的设定下,进行0.028 s以上的相干积累,信噪比(SNR)增益可达22 dB以上;如果在0.007 s内先进行短时相干积累,再进行非相干积累,当积累总时间超过0.020 s时,信噪比增益将达到18 dB 以上。

距离选通式半导体激光夜视系统是采用高功率脉冲半导体激光器作为夜视系统的照明光源、以微光管作为接收传感器的主动成像夜视系统。介绍了半导体激光夜视系统中所采用的高质量脉冲半导体激光光源技术及距离选通技术。其中光束准直整形技术和改善光场均匀性技术是脉冲半导体激光夜视系统的关键技术。距离选通式激光夜视系统消除了脉冲激光带来的后向散射及杂散光的干扰,提高了接收信噪比,可获取清晰的夜视图像。实验证明采用距离选通式半导体激光夜视系统可在很差的气象条件下工作,并可获得清晰图像,作用距离达5 km。该系统不仅用于**领域也可用于边防、公安、搜救、监控等其他领域。

针对物体表面涂层的不均匀情况,采用激光对物体表面进行非接触测量,它能实现对物体表面微观变化的在线检测。通过光斑对被测表面扫描,分析反射光强的变化,获得了反射光强与物体表面涂层均匀度的关系。物体表面的涂层均匀度具有随机性,对光的反射程度也有所不同,依据接收光信号的变化,用计算机仿真得到被测物体表面的形貌特征,仿真结果能反映表面涂层均匀度的变化趋势。实验表明,系统结构简单、原理直观,检测范围1～80 μm,精度小于5 μm。

为了实现CO2激光封口安瓿瓶,提出了对CO2激光预热后的安瓿瓶,再利用CO2激光使安瓿瓶熔融封口的技术方案。在考虑玻璃物性参量随温度变化和安瓿瓶表面对流换热的情况下,利用有限元软件(ANSYS)对CO2激光辐照不同规格和转速的安瓿瓶的温度场和应力场进行数值计算。结果表明在加工参量相同的情况下,安瓿瓶瓶壁越厚,激光加热时所达到的温度越低。当CO2激光加热旋转的安瓿瓶时, 不同的旋转速度只是使得外表面温度以不同周期上升, 但如果激光加热时间相同, 则温升基本相同。对封口过程中的应力场进行了计算,结果表明导致安瓿瓶封口失败的热应力主要是冷却时的张应力。

介绍了距离选通水下激光成像技术的原理及其技术进展,并具体设计与实现了一种新型的水下激光成像系统。距离选通成像方式是一种减小水介质后向散射的有效方法,利用水介质对可见光光谱的低损耗窗口效应,采用蓝绿波长的脉冲激光器提供主动照明,CCD作为接收器,可在提高目标场景照度的同时,减小后向散射的影响,实现水下距离选通激光成像。实验证明,水下距离选通激光成像技术可以克服传统水下成像的缺点,具有成像清晰,对比度高,不受环境光源的影响等优点,已成为国内外重点研究的关键技术。

为了解决激光辐照树脂基复合材料时热解热和移动热解面给温度场求解带来的难题,通过修正处理相变问题的热焓法,建立了连续激光辐照树脂基复合材料的一维温度场模型,简化了求解过程。在此基础上采用“历史最高温度点追踪法”对热焓法模型进行了进一步修正,使之能够解决脉冲激光辐照复合材料时温度双向变化与热解过程不可逆之间的矛盾,从而对脉冲激光辐照的情况也能适用。用有限差分方法进行离散后,编写了FORTRAN程序求得数值解。计算结果与实验结果基本相符,最后模型分析了脉冲激光参量对树脂基复合材料温升的影响。

微型化激光二极管(LD)抽运高重复频率固体激光器在工程应用方面总是存在器件散热与体积之间的矛盾。窄脉宽激光二极管抽运技术的使用,不仅提高了产品的光电技术指标,而且将关键元器件的散热功率降到原先的30%,有效地解决了微型元器件散热与体积之间的矛盾,使激光器的整体性能有了显著提高。在工作重复频率2.5 kHz,抽运脉宽120 μs的条件下,实现了峰值功率12.1 kW,脉冲宽度约为7.7 ns,光束质量因子M2约为1.7的激光脉冲输出,并使激光器在－55～＋75 ℃温度条件下长期稳定工作。窄脉宽抽运技术使整机系统存在很大的拓展空间,在用户需要时可将工作重复频率提高到5 kHz,甚至更高。

利用半导体可饱和吸收镜(SESAM)锁模技术实现的超快脉冲激光器具有结构简单紧凑、脉冲序列稳定等优点,在许多领域有着重要用途。简述了用半导体可饱和吸收镜锁模固体激光器的具体要求及方案,介绍了采用Z型折叠腔结构和大功率侧面抽运模块实现的半导体可饱和吸收镜被动锁模Nd:YAG固体激光器。得到了平均功率为4.7 W,脉冲重复频率55 MHz,单脉冲能量85 nJ的皮秒激光脉冲,光束质量好,M2因子约为1.2,谱线宽度约为0.1 nm,在小时间尺度上得到较好的锁模效果,对实验现象进行了描述,对实现高功率侧面抽运锁模激光器进行了初步探讨。

简要阐述2 μm激光光源的广泛应用需求,分析掺铥铝酸钇(Tm:YAP)晶体的能级结构和吸收光谱特性,报道了采用激光二极管(LD)端面抽运Tm:YAP晶体的方式,实现室温下2 μm激光的高效输出。在激光二极管输出功率为19 W时, 2 μm连续激光输出功率为6.5 W,光光转换效率达34％,斜率效率为47.5％。经过声光(AO)Q开关进行调制后,在重复频率10 kHz下,获得5.4 W的动态激光输出,激光单脉冲宽度为70 ns,激光二极管输出功率到2 μm激光动态输出功率的转换效率为28％,斜率效率为42％。通过实验验证了激光二极管端面抽运Tm:YAP晶体在室温下高效输出的特性。

报道了激光二极管(LD)侧面抽运Nd:YAG晶体间歇振荡1064 nm和1319 nm双波长激光器。采用间歇振荡技术,可有效地控制上能级的反转粒子数,避免激光振荡谱线之间的双波长竞争效应,而且对输出镜镀膜精度的要求大大降低,稳定的间歇振荡双波长激光输出较容易获得。两声光间的延迟时间连续可调,因此可以通过调节延迟时间来改变双波长激光的输出功率之比。在抽运电流为22 A,声光重复频率为4 kHz,延迟时间为10 μs时获得1319 nm激光偏振输出功率6.2 W,1064 nm激光偏振输出功率5.1 W。根据间歇振荡双波长激光器的四能级速率方程模型进行了数值计算和分析,理论结果与实验相符。

利用光纤延时自拍法对液氮制冷的微片Tm,Ho:YLF输出近2 μm激光器的短期稳定度进行了测量研究。在激光器输出功率为10 mW、激光的模式为单纵模时,测得了分别用100 m, 200 m, 300 m, 400 m和500 m光纤延时(延时时间约为0.5～2.5 μs)情况下的短期不稳定度由1.5 kHz近似线性增加到4.75 kHz,线性增长的斜率约为1.48 kHz/μs,测量时示波器的傅里叶积分时间约为40 ms。此稳定度的激光器已经达到了作为2 μm稳频激光器种子源的要求。

为了解决激光二极管(LD)端面抽运固体激光器中晶棒的散热问题,结合多通道和铟封技术,设计并加工了新型散热装置。采用激光二极管端面抽运Nd:GdVO4晶棒,在输入抽运功率28 W的时候,利用传统铟包式直通孔热沉器、铟包多通道式热沉器和铟封多通道热沉器分别获得8.7 W,10.5 W和11.9 W的最大输出功率, 相应的光-光转换效率分别为31%,38%和44%,斜率效率分别为36%,42%和49%。而且采用铟封多通道热沉器,输入40 W的抽运功率时得到了17.5 W的输出功率,此时仍未见饱和。可见无论最大输出功率,光-光转换效率还是斜率效率,结合了铟封技术的多通道式热沉器都比前两种热沉器散热效果好。此外,通过对热透镜焦距和基模输出功率的测量,进一步验证了铟封技术的多通道式热沉器的优点。

高功率光纤激光器多选用掺镱双包层光纤作为增益介质。掺镱双包层光纤与普通非掺杂光纤相似,由于纤芯尺寸非常小,一般为几微米至几十微米量级,极容易产生自脉冲效应。进行了大功率条件下掺镱光纤激光器自脉冲效应的研究,观察到不同的自脉冲现象。 研究结果表明,在大功率激光作用下,尽管镱离子不存在浓度淬灭,但是对于大芯径掺镱双包层光纤,与其他三能级系统相同,均存在弛豫振荡引发的饱和吸收自脉冲效应。掺镱光纤激光器中的饱和吸收效应、受激布里渊散射、受激拉曼散射等自脉冲效应不容忽视。

根据布里渊光纤环形激光器谐振腔特性,设计了一套以单片机为控制中心,压电陶瓷(PZT)为调频器件的光纤环形激光器稳频系统。采用“数值均值滤波”的思想,消除外界因素的影响,提高了鉴频精度;采用“等步长调节,小步长跟踪” 控制方法,可在保证跟踪速度的基础上提高控制精度。由于控制步长非常小,系统不易产生控制振荡,因而不易失锁。应用设计的光纤环形激光器稳频系统完成了对布里渊环形激光器的稳频锁定实验,鉴频时间达到500 μs,锁定精度达到士0.5 MHz,锁定时间约为30 min。

报道了一种激光二极管(LD)双末端抽运Tm:YLF激光器,在1.9 μm处获得了连续波(CW)输出。1.9 μm激光可用于抽运Ho晶体获得2 μm激光。在理论上,分析了掺Tm3+激光器的运转机制和能量转换损耗,计算出Tm:YLF激光器在理论上的斜率效率达到50%。在实验上,抽运源使用工作波长为792 nm的光纤耦合激光二极管,抽运光均分为两束双端抽运Tm:YLF晶体,两块晶体串接在折叠腔内。Tm:YLF 晶体的掺杂原子数分数为4%, 尺寸为3 mm×3 mm×12 mm。测量了输出镜在不同透射率情况下激光器的输出激光波长,当输出镜透射率T=26%时,在1.9μm处获得20.1 W的连续波激光输出,相应的抽运功率为75 W,阈值抽运功率为9 W,斜率效率为34%,光-光转换效率为27%。

根据光线追迹原理,研究用于端面抽运的大面阵激光二极管(LD)抽运源的耦合系统设计。结合当前大口径激光二极管阵列常用的空心导管型耦合系统,分别从耦合效率、抽运强度分布、抽运光传输等方面,讨论大口径激光二极管阵列耦合系统的一般设计准则,提出了将激光二极管阵列单元平面排布改为球面排布的办法。针对100 kW激光二极管阵列,将子阵列作球面排布后,仅用一空心导管来汇聚抽运光,这种设计获得了传输性能优良的大区域均匀分布的抽运场,抽运场起伏小于5%,抽运强度大于20 kW/cm2,耦合效率98%,有效抽运区域内效率达90%。

为了满足激光推进、光电对抗等应用领域的需要,研制了一台高单脉冲能量高重复频率新型TEA CO2激光器。采用紫外(UV)预电离双路Ernst石墨电极串并联放电结构、超薄水冷不变形镜折叠腔、双回路直冷式封闭循环流动系统和高压大电流快脉冲开关电源等技术,解决了高功率高压电容充电、高气压大体积均匀辉光放电、高气压高速均匀流场、激光谐振腔和高脉冲能量、高重复频率脉冲激光输出等技术难题。成功研制了一台最大脉冲激光能量92 J,重复频率35 Hz,激光输出发散角1.4 mrad,脉冲能量稳定性0.8％,平均功率大于3000 W的脉冲激光器。

针对普通大功率半导体激光抽运源用大通道水冷热沉热阻高、工作时热沉表面在大通道水流方向存在明显温升进而导致加载其上的激光bar寿命不一致以及抽运源整体光谱宽度难以控制的问题,利用商用有限元软件ANSYS仿真获得抽运源工作时不同冷却水流量条件下热沉内部温度场分布,分析该结构热沉热阻系统的构成及整体热阻瓶颈所在。实际中通过改变冷却水接口结构,获得“入口效应”,提高了大通道热沉整体换热性能,进一步减小热沉表面温度梯度。利用所设计的新接口大通道水冷热沉获得3 bar线阵120 W连续(CW)输出半导体激光器抽运源,输出中心波长为807.7 nm,光谱宽度(FWHM)为2.8 nm。

讨论了移频延时自外差探测的基本原理,并对外差得到的功率谱进行了公式推导。在此基础上,对外差测量中出现的测量误差进行分析,同时设计了自外差测量实验装置进行实验对比,确定了由于延时线长度不够导致的线宽测量误差来源是因为延时时间短导致幂指数函数项波动加剧造成的;同时针对外差信号频谱为洛仑兹型和类高斯型的混合谱型,在高斯功率谱密度函数的基础上,对延时时间和1/f谱宽的影响进行了仿真计算,采用Voigt分析,提取出1/f导致的测量误差,提高了线宽测量的精度。以高斯谱宽4.5 kHz的谱型为例,对应的洛仑兹线宽约为0.68 kHz,提高了一个数量级的测量精度。

由于制造工艺和生产条件的不同,光伏探测器的特征参量结品质因子和反向饱和电流有很大差别。提出一种PN结特征参量的间接测量方法,并对该测量方法所用的数值计算方法的收敛性进行数学证明。提出了两个使用开路电压和短路电流计算光电池PN结品质因子和反向饱和电流的简化解析计算公式。与迭代法的计算结果相比,使用简化解析计算公式得到的结品质因子和反向饱和电流的相对误差分别为0.03%和0.25%;与实验结果相比,使用迭代法计算结果的开路电压值的相对误差不小于0.3%。

聚合物基质光学均匀性好、对抽运光和染料激光透过率高、与染料分子相容性好、制备简单、成本低。制备了吡咯甲川567(1, 3, 5, 7, 8-pentamethyl-2, 6-diethylpyrromethene-BF2,PM567)掺杂的以甲基丙烯酸甲酯(methyl methacrylate, MMA)和甲基丙烯酸-β-羟乙酯(2-hydroxyethyl methacrylate, HEMA)的共聚物为基质的固体染料激光介质,研究了(HEMAMMA)对介质特性的影响。利用10 Hz重频调Q的Nd:YAG的倍频光纵向抽运固体染料激光介质,研究了介质的输出特性。介质的抽运阈值小于10 mJ/cm2,HEMA含量存在一个使得介质的斜率效率达到最高的最佳值。在HEMA体积分数为25%的介质中得到最高的斜率效率56.2%。以10 Hz重频,脉冲能量17.5 mJ(能量密度为0.02 J/cm2)调Q的Nd:YAG的倍频光纵向抽运固体染料介质,V(HEMA)V(MMA)=1:1的介质经约123000个抽运光脉冲后,输出下降为初始输出的一半,归一化的光稳定性为10.8 GJ/mol。

根据热平衡状态下的麦克斯韦速度分布函数,得到了三维空间中两原子间相对运动速度的分布函数。以四能级理论模型为基础,将此分布函数考虑到激光感生碰撞截面的计算之中,直接积分态振幅的运动方程,对弱场和强场两种情况下Eu-Sr系统中的一个激光感生碰撞过程进行了数值计算,得到了特定温度下系统的激光感生碰撞截面的谱线线型。将该数值计算的结果与以前的理论工作进行了比较,分析了两原子间相对运动速度分布对激光感生碰撞过程的影响。分析表明,两原子之间相对运动速度的统计分布虽然不影响激光感生碰撞截面的谱线线型,但对碰撞截面的峰值大小有一定的影响。结论与前人的理论预言相吻合,证明了数值计算的正确性。

极紫外光刻(EUVL)技术是目前193 nm浸没式光刻技术的延伸,有望突破30 nm或更小技术节点而成为下一代光刻(NGL)技术的主流。毛细管放电极紫外(EUV)光源可为极紫外光刻研究提供高效、便捷的光刻源头,但光源的辐射功率较低一直制约着极紫外光刻技术的发展。三线毛细管放电极紫外光源的概念设计与常用毛细管装置有着本质的区别,它们不同的工作机制将使三线毛细管放电产生的环带状等离子体极紫外光源的辐射功率明显高于常用毛细管的情形,最佳收集角也得到相应的提高。三线毛细管概念设计方案的提出不仅从技术上开拓出一片全新的领地,为极紫外光刻研究提供所需的光源,而且从效益上看更适合于大规模工业生产。

采用传输矩阵法和时域有限差分(FDTD)法, 对基于人工介质的低通空间滤波器的传输特性进行了数值模拟和分析, 提出了两种具体的设计方案,得到了控制空间滤波器截止波矢的方法。数值计算结果表明,利用不确定介质或低有效折射率光子晶体都可实现高性能的低通空间滤波。两种滤波器都由薄平板构成,所占的空间体积只有几个波长量级,可大大减少传统空间滤波器所占的空间体积。

复合腔电光调Q微晶片激光器是一种集成化的固体激光器,具有体积小、基横模、单纵模、线偏振运转,输出脉冲重复频率高,脉宽窄的优点,是高重复频率、高光束质量的主振荡功率放大器(MOPA)激光系统的理想种子源。进行了低压驱动复合腔电光调Q微晶片激光器的实验与理论研究。根据理论分析,增加电光晶体长度和提高端面反射率可减小标准具透射谱半宽度,进而降低驱动电压。设计了两套激光器实验方案。实验中激光增益介质和电光晶体分别选用Nd:YVO4和LiTaO3,谐振腔尺寸小于3 mm×3 mm×2.5 mm。方案1主要研究增加电光晶体长度后的激光器输出特性,在抽运功率184 mW,240 V驱动电压下,可实现300 kHz激光脉冲输出,脉冲宽度10 ns,峰值功率9.4 W。在方案2中,通过进一步提高端面反射率,在短时间内可输出1 MHz脉冲。

研制了一套输出能量在100 J以上的大能量高功率钕玻璃激光系统。在设计中,对光路排布进行了优化,对系统放大增益进行了数值模拟,采用像传递技术和受激布里渊散射(SBS)相位共轭技术,提高了激光束的输出质量。Nd:YLF前端输出的单纵模脉冲激光经过两级双程放大和一级助推放大,获得了106 J的能量输出。针对在大口径高能高功率激光系统中应用受激布里渊散射相位共轭镜的要求,设计了一种新型的受激布里渊散射相位共轭镜结构,这种结构克服了传统独立双池的缺点,完全适用于高能高功率激光的双程放大结构。

报道了以碘蒸气为介质进行的前向简并四波混频(DFWM)布局光谱技术的试验研究。在试验中采用了具有自稳分光系统的前向简并四波混频布局。试验发现在常温常压条件下,由于碰撞猝灭会大大降低激光诱导荧光(LIF)光谱的检测灵敏度,几乎观察不到碘蒸气荧光光谱,但却可获得较强的碘蒸气的简并四波混频信号。这是目前已知测定了常温常压下I2在554～556 nm中的前向简并四波混频光谱。常温常压下气相介质的简并四波混频光谱技术,对痕迹量原子、分子和自由基的探测以及对燃烧诊断等方面的研究与应用具有重要意义。

设计出相位型正交散焦光栅,实现了一种新的光束质量M2因子实时测量技术。将散焦光栅和短焦透镜密接使用,透镜提供主要的聚焦能力,散焦光栅产生9个光轴,且在每个光轴上对焦距进行微调,使之具有不同的等效焦距,这样利用单一的CCD就可以在透镜焦平面上同时测量待测光束9个不同位置处的光强分布图样。利用二阶矩的方法计算束宽,经双曲线拟合得到光束的M2因子。对He-Ne激光器的输出光束进行了测量,得到其光束质量因子M2=5.775,与传统测量方法得到的结果相比,误差为5.1%。