探測(cè)用激光光源中的若干關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、光源是激光探測(cè)系統(tǒng)的核心器件，本文研究探測(cè)用單縱模二極管抽運(yùn)固體激光器(DPL)中的相關(guān)問題，主要內(nèi)容包括四個(gè)部分：分析振蕩光場(chǎng)的頻譜特性；研究粗糙面?zhèn)鲗?dǎo)散熱下激光器熱效應(yīng)對(duì)激光器性能的影響；系統(tǒng)研究聲光調(diào)制自注入鎖定單縱模激光方法并實(shí)驗(yàn)獲得自注入鎖定輸出；提出用單縱模多子光束陣列相干發(fā)射方案提高激光探測(cè)性能。
　　本研究分為四個(gè)部分：第一部分：基于多縱模振蕩模型，討論 DPL中的縱模振蕩。結(jié)果表明：駐波腔中，激光介質(zhì)中空間燒孔分

2、布形成于弛豫振蕩過程中光子數(shù)第一次大規(guī)模增長的階段；弛豫振蕩穩(wěn)定后，各縱模共存輸出，各縱模共同產(chǎn)生的空間燒孔使上能級(jí)粒子數(shù)密度沿軸向呈現(xiàn)出幅度調(diào)制的高頻起伏分布；行波腔中，只有發(fā)射截面最大的縱模能形成穩(wěn)定的激光輸出；腔長變化時(shí)，失諧損耗使振蕩波長發(fā)生漂移，腔長變化較小時(shí)，振蕩波長平滑轉(zhuǎn)換；而腔長變化較大時(shí)，波長的轉(zhuǎn)換伴隨著弛豫振蕩。第二部分：針對(duì)激光介質(zhì)金屬熱沉散熱的粗糙面接觸傳熱問題，提出了一種計(jì)算溫度場(chǎng)的面熱源自適應(yīng)調(diào)整算法，研究單

3、縱模激光器中基橫模光場(chǎng)的熱效應(yīng)。通過在研究對(duì)象的封閉邊界上引入虛擬面熱源，通過自適應(yīng)調(diào)整算法，獲得滿足邊界條件的面熱源分布，然后用自由空間的格林函數(shù)快速計(jì)算對(duì)象內(nèi)的溫度場(chǎng)。建立了導(dǎo)熱聯(lián)結(jié)的兩種介質(zhì)的表面接觸模型，在此基礎(chǔ)上建立了隨機(jī)分布的表面散熱邊界條件，并利用面熱源自適應(yīng)調(diào)整算法計(jì)算了介質(zhì)內(nèi)的溫度分布。計(jì)算結(jié)果表明，由于介質(zhì)散熱表面不能完全緊密接觸，其溫度場(chǎng)呈現(xiàn)一定程度的隨機(jī)起伏，越靠近邊界，隨機(jī)起伏越明顯，介質(zhì)中心區(qū)域隨機(jī)起伏則不明

4、顯；有效熱接觸面積越小，這種隨機(jī)起伏越強(qiáng)烈。由于該溫度場(chǎng)的影響，激光介質(zhì)表面附近的相位差存在起伏并深入一定深度。隨抽運(yùn)功率的增大，相位差的起伏增強(qiáng)；接觸面積增大時(shí)，相位差起伏減小，起伏的深度也有所減小。熱致衍射損耗隨抽運(yùn)功率近似線性增加，基模光半徑越大，增加的斜率越大；當(dāng)基模光半徑較大時(shí)，接觸面積越小熱致衍射損耗越大。第三部分：理論研究環(huán)形腔聲光調(diào)制自注入鎖定過程。通過數(shù)值求解聲光互作用耦合波方程研究聲光調(diào)制器對(duì)環(huán)形腔中兩個(gè)方向光波的衍

5、射效率，結(jié)果表明：在入射角偏離布拉格角一定角度時(shí)，兩光波有最大衍射效率差，該偏離角隨超聲波頻率的升高而減??；最大衍射效率差隨超聲波功率的增加而增大，增大的斜率逐漸減??；超聲波頻率越高，能提供更大的衍射效率差。在此基礎(chǔ)上，數(shù)值求解速率方程研究環(huán)形腔自注入鎖定過程，結(jié)果表明：高損耗階段末尾，兩方向光子數(shù)密度之比隨超聲波功率增加迅速增加，當(dāng)超聲波功率大于一定值后，該比值趨于穩(wěn)定；在超聲波頻率從1 MHz增加到約10 MHz時(shí)，該比值迅速增大，

6、當(dāng)超聲波頻率高于10 MHz后，該比值趨于穩(wěn)定；該比值隨抽運(yùn)功率的增加而增大，增大趨勢(shì)逐漸變緩。在通常實(shí)驗(yàn)條件可得到的抽運(yùn)功率、超聲波頻率和超聲波功率下，光子數(shù)密度之比可達(dá)十幾個(gè)數(shù)量級(jí)，能保證成功實(shí)現(xiàn)自注入鎖定。自注入鎖定脈沖的峰值功率隨超聲波功率的增加近似線性增大；能達(dá)到的最高重復(fù)頻率隨抽運(yùn)功率的增大線性增大，在幾十瓦的抽運(yùn)功率水平下重復(fù)頻率在千赫茲量級(jí)。第四部分：提出一種多子光束相干發(fā)射方案提高激光對(duì)遠(yuǎn)距離小目標(biāo)的探測(cè)能力。將光源發(fā)

7、出的光束分為若干子光束平行發(fā)射，由于子光束來自同一單縱模激光源，具有很好的相干性，因此它們?cè)谀繕?biāo)面上產(chǎn)生干涉主峰，用此干涉主峰進(jìn)行探測(cè)。目標(biāo)越小，此方案相對(duì)于直接發(fā)射的優(yōu)勢(shì)越突出。計(jì)算結(jié)果表明：子光束在目標(biāo)面上產(chǎn)生干涉主峰，理想情況下峰值光強(qiáng)為直接發(fā)射的N sub（N sub為子光束數(shù)目）倍。給出了系統(tǒng)設(shè)計(jì)中所允許的光束間距；設(shè)計(jì)中還應(yīng)適當(dāng)壓縮發(fā)散角，增大目標(biāo)上的總功率。發(fā)射鏡位置和角度抖動(dòng)使得光斑畸變、光強(qiáng)閃爍，為獲得穩(wěn)定的干涉主峰，