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自适应光学技术用于改善固体激光器光束质量的研究

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自适应光学技术用于改善固体激光器光束质量的研究

作者：裴正平中国工程物理研究院

学位级别：硕士

固体激光器工作时，由于激光介质中沉积的废热，引起激光介质温度分布不均匀，导致激光波前热畸变，光束质量下降。为有效减小激光介质热效应引起的激光波前热畸变，传统方法是采用改变泵浦方式，改变激光器结构等措施，被动的提高激光... 详细信息

固体激光器工作时，由于激光介质中沉积的废热，引起激光介质温度分布不均匀，导致激光波前热畸变，光束质量下降。为有效减小激光介质热效应引起的激光波前热畸变，传统方法是采用改变泵浦方式，改变激光器结构等措施，被动的提高激光光束质量。自适应光学技术可做为一种主动光学补偿技术应用于固体激光器校正激光介质的热畸变，实现在高平均功率下高质量的激光输出。通过理论分析、数值模拟和实验研究等方法，对薄片激光器的热力学特性和输出激光波前特性进行了研究，得到了薄片激光器热畸变的基本规律。并利用薄片激光器开展了外腔自适应光学校正实验，为自适应光学系统在高功率薄片DPL的应用提供了必要参考。建立了薄片激光介质热力学计算模型。分别从激光介质稳态导热微分方程及平衡方程出发，得出激光晶体温度场及热应力分布规律。针对Nd:YAG薄片激光器进行了热力学特性数值模拟，得到不同泵浦条件下Nd:YAG薄片介质的温度场和应力场的分布，并讨论了晶体厚度以及泵浦光光强分布对温度场和应力场分布的影响。建立了激光通过晶体引起波前畸变理论分析模型，给出了薄片激光器波前热畸变的数值计算方法，数值模拟了不同泵浦条件下激光波前相位畸变情况，定量分析了晶体厚度与波前畸变量以及泵浦均匀性与波前畸变量的关系。结果显示，泵浦光的均匀性是影响波前畸变量分布最重要的因素。利用He-Ne激光器及小功率棒状Nd:YAG激光器开展外腔自适应补偿实验，得到较好的波前补偿效果。建立了Nd:YAG薄片MOPA系统，实验研究了不同占空比泵浦情况下放大器热畸变特性，并对其进行了自适应补偿实验，激光波前得到一定改善，提高了光束质量，实现了闭环控制，验证了自适应光学系统应用于MOPA系统的可行性。

关键词：固体激光器波前畸变热效应外腔自适应光学

10kW级固体板条激光放大器设计与实验研究

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中国激光 2012年第2期39卷 1-4页

作者：高清松胡浩裴正平童立新周唐建唐淳中国工程物理研究院应用电子学研究所四川绵阳621900

针对传导冷却和端面抽运的激光增益模块特点,设计了一台10kW级高功率全固态板条激光放大器实验装置。分析了激光注入功率密度和入射角度等参数对激光放大器提取效率的影响。实验测试了注入功率密度与激光增益模块光-光转换效率的关系,... 详细信息

针对传导冷却和端面抽运的激光增益模块特点,设计了一台10kW级高功率全固态板条激光放大器实验装置。分析了激光注入功率密度和入射角度等参数对激光放大器提取效率的影响。实验测试了注入功率密度与激光增益模块光-光转换效率的关系,实验结果与理论分析基本吻合。激光放大器实验装置的种子源通过一级预放大器和两级主放大器放大后获得了高功率和高光束质量的激光输出,激光放大器输出功率达为11.3kW,光束质量7.56倍衍射极限,出光时间110s,光-光转换效率达30%。

关键词：激光器全固态激光放大器板条 Nd∶YAG晶体

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激光径向偏振光栅反射镜的研究

强激光与粒子束 2014年第1期26卷 46-49页

作者：方茗高健存王坤吴兴盛唐新春唐淳裴正平于益清华大学物理系北京100084 中国工程物理研究院应用电子学研究所四川绵阳621900

径向偏振光是近些年引起广泛关注的一种新型偏振光,它在粒子操控、金属切割和提高显微镜分辨率方面具有广阔的应用前景。径向偏振光可以通过在激光器谐振腔内应用径向偏振光栅反射镜来获得。首先在顶层刻蚀光栅反射镜的模型上通过自编... 详细信息

径向偏振光是近些年引起广泛关注的一种新型偏振光,它在粒子操控、金属切割和提高显微镜分辨率方面具有广阔的应用前景。径向偏振光可以通过在激光器谐振腔内应用径向偏振光栅反射镜来获得。首先在顶层刻蚀光栅反射镜的模型上通过自编程序分析光栅反射镜各参数对光栅性能的影响,然后设计出光栅反射镜复合结构并结合微纳加工工艺进行了可行性分析。

关键词：径向偏振光光栅反射镜 T矩阵算法光栅复合结构

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Nd:YAG薄片激光器热致波前畸变

强激光与粒子束 2006年第10期18卷 1615-1618页

作者：裴正平唐淳涂波姚震宇蒋建锋中国工程物理研究院应用电子学研究所四川绵阳621900

理论分析了激光二极管端面泵浦薄片Nd:YAG激光器的激光介质热效应对波前相位分布的影响,给出了薄片激光器波前热畸变的计算公式。数值模拟了理想均匀泵浦及4阶超高斯泵浦下的波前分布,分析了介质厚度和泵浦均匀性与波前畸变量的关系。... 详细信息

理论分析了激光二极管端面泵浦薄片Nd:YAG激光器的激光介质热效应对波前相位分布的影响,给出了薄片激光器波前热畸变的计算公式。数值模拟了理想均匀泵浦及4阶超高斯泵浦下的波前分布,分析了介质厚度和泵浦均匀性与波前畸变量的关系。研究表明,介质越薄,激光泵浦光均匀性越好,泵浦功率密度越小,激光波前畸变越小;与介质厚度、泵浦功率密度相比,泵浦光光强分布对波前的影响更为显著。

关键词：薄片激光器热效应波前畸变波前分布光程差

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高功率全固态绿光激光技术研究进展

强激光与粒子束 2011年第9期23卷 2373-2376页

作者：高清松马毅庞毓童立新裴正平孙殷宏唐淳中国工程物理研究院应用电子学研究所四川绵阳621900

报道了高功率全固态腔内和腔外倍频两种绿光激光器研究进展。腔内倍频绿光激光器采用L型腔双棒串接结构,在重复频率10kHz时,用三硼酸锂晶体倍频获得绿光功率186W,光-光效率达15.8%。腔外倍频绿光激光器采用主振荡和功率放大器,在重复频... 详细信息

报道了高功率全固态腔内和腔外倍频两种绿光激光器研究进展。腔内倍频绿光激光器采用L型腔双棒串接结构,在重复频率10kHz时,用三硼酸锂晶体倍频获得绿光功率186W,光-光效率达15.8%。腔外倍频绿光激光器采用主振荡和功率放大器,在重复频率400Hz时,获得基频激光单脉冲能量1.2J,采用Ⅱ类相位匹配KTP晶体腔外倍频,获得525mJ的绿光输出,倍频效率为43.7%。采用偏振合成技术获得了单脉冲能量大于1J的绿光输出。在该激光放大器实验装置上,进行了双模块热效应补偿技术和受激布里渊散射相位共轭技术实验研究,改善了激光光束质量。

关键词：激光技术固体激光器绿光放大器倍频

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光栅反射镜作为激光器后腔镜输出径向偏振光

中国激光 2016年第9期43卷 50-54页

作者：戚若阳高健存方茗唐新春唐淳裴正平于益清华大学物理系北京100084 中国工程物理研究院应用电子学研究所四川绵阳621900

利用光栅反射镜的偏振选择原理,设计并制备了35层镀膜、1000nm周期、70nm槽深的圆环型微结构光栅反射镜。使用该光栅反射镜作为激光二极管抽运的Nd∶YAG激光器的后腔镜,通过对激光谐振腔的优化,获得了功率为13.4 W的径向偏振激光。分析... 详细信息

利用光栅反射镜的偏振选择原理,设计并制备了35层镀膜、1000nm周期、70nm槽深的圆环型微结构光栅反射镜。使用该光栅反射镜作为激光二极管抽运的Nd∶YAG激光器的后腔镜,通过对激光谐振腔的优化,获得了功率为13.4 W的径向偏振激光。分析并设计偏振度的计算方法,测量得到径向偏振激光的偏振度可达97%。

关键词：激光器径向偏振光光栅反射镜偏振度

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热容激光器冷却过程的热力学数值模拟

中国激光 2007年第11期34卷 1507-1511页

作者：胡浩蔡震蒋建锋涂波裴正平周唐建成渝唐淳中国工程物理研究院应用电子学研究所四川绵阳621900

为了研究热容激光器冷却过程中激光介质的热力学特性,建立了激光介质热力学理论模型.该模型将介质表面的换热作为瞬态导热微分方程的热源,得到冷却过程中热传导模型.获得了激光介质在冷却过程中的瞬态温度场,进一步得到介质的热应力.利... 详细信息

为了研究热容激光器冷却过程中激光介质的热力学特性,建立了激光介质热力学理论模型.该模型将介质表面的换热作为瞬态导热微分方程的热源,得到冷却过程中热传导模型.获得了激光介质在冷却过程中的瞬态温度场,进一步得到介质的热应力.利用数值模拟,得到了YAG介质和GGG介质在不同冷却条件下的冷却时间、温差和热应力.表面换热系数从0.1 W?cm-2?K-1增加到0.5 W?cm-2?K-1,冷却时间明显缩短;表面换热系数从0.5 W?cm-2?K-1增加到1 W?cm-2?K-1,冷却时间缩短不明显.对于相同体积、相同初始温度场的YAG介质和GGG介质,YAG介质的冷却时间少于GGG介质的冷却时间.在相同冷却条件下,YAG介质的温差小于GGG介质的温差,YAG介质的最大等效应力小于GGG介质的最大等效应力.

关键词：激光技术热容激光器冷却过程热力学数值模拟

1.5kW激光二极管抽运Nd∶YAG薄片激光器

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中国激光 2007年第1期34卷 37-40页

作者：姚震宇蒋建锋涂波周唐建裴正平雷军吕文强武德勇中国工程物理研究院应用电子学研究所

报道了一台输出功率超过1.5kW的激光二极管抽运Nd∶YAG双薄片激光器。设计了四通光学耦合系统,通过优化经微柱透镜准直后光束的发散角,实现了抽运光的近平顶分布。薄片激光介质镀完介质膜后镀Ti,Pt,Au实现金属化,再采用铟焊工艺焊接在... 详细信息

报道了一台输出功率超过1.5kW的激光二极管抽运Nd∶YAG双薄片激光器。设计了四通光学耦合系统,通过优化经微柱透镜准直后光束的发散角,实现了抽运光的近平顶分布。薄片激光介质镀完介质膜后镀Ti,Pt,Au实现金属化,再采用铟焊工艺焊接在铜微通道冷却器上,以提高散热效率和冷却的均匀性。采用两片直径40mm,厚度1.3mm的Nd∶YAG薄片激光介质,在两个二极管激光器阵列抽运下,当每个薄片上的抽运峰值功率为17.7kW,占空比10%时,获得了平均功率1.52kW的准连续激光输出,光-光转换效率达到43%,电-光转换效率超过20%。

关键词：激光技术激光二极管抽运薄片激光器近平顶分布

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径向偏振激光反射腔镜的研究

激光与红外 2014年第5期44卷 511-515页

作者：唐新春高健存方茗唐淳裴正平于益清华大学理学院物理系北京100086 中国工程物理研究院应用电子研究所四川绵阳621900

近年来,径向偏振光因为其特殊的偏振特性而受到广泛的关注。本文以耦合波理论中的T矩阵算法为基础,用Matlab语言编制了能够计算多层复合结构光栅的程序算法,并用此程序算法对多层光栅模型进行了理论模拟。综合模拟结果,设计出光栅周期为... 详细信息

近年来,径向偏振光因为其特殊的偏振特性而受到广泛的关注。本文以耦合波理论中的T矩阵算法为基础,用Matlab语言编制了能够计算多层复合结构光栅的程序算法,并用此程序算法对多层光栅模型进行了理论模拟。综合模拟结果,设计出光栅周期为1000 nm、槽深为70 nm、占空比为0.5和Ti2O5/SiO2交替镀膜35层数的径向偏振反射腔镜,并通过微纳加工工艺制备出光栅反射腔镜样品,将其应用于自行搭建的Nd∶YAG激光器系统中,获得了输出功率12.6 W,偏振纯度为96%的径向偏振光。

关键词：径向偏振激光反射腔镜增强透射矩阵算法径向偏振光固体激光器