探測用激光光源中的若干關鍵技術研究.pdf

1、光源是激光探測系統(tǒng)的核心器件，本文研究探測用單縱模二極管抽運固體激光器(DPL)中的相關問題，主要內(nèi)容包括四個部分：分析振蕩光場的頻譜特性；研究粗糙面?zhèn)鲗嵯录す馄鳠嵝獙す馄餍阅艿挠绊?；系統(tǒng)研究聲光調(diào)制自注入鎖定單縱模激光方法并實驗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性能。
　　本研究分為四個部分：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，失諧損耗使振蕩波長發(fā)生漂移，腔長變化較小時，振蕩波長平滑轉(zhuǎn)換；而腔長變化較大時，波長的轉(zhuǎn)換伴隨著弛豫振蕩。第二部分：針對激光介質(zhì)金屬熱沉散熱的粗糙面接觸傳熱問題，提出了一種計算溫度場的面熱源自適應調(diào)整算法，研究單

3、縱模激光器中基橫模光場的熱效應。通過在研究對象的封閉邊界上引入虛擬面熱源，通過自適應調(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)快速計算對象內(nèi)的溫度場。建立了導熱聯(lián)結的兩種介質(zhì)的表面接觸模型，在此基礎上建立了隨機分布的表面散熱邊界條件，并利用面熱源自適應調(diào)整算法計算了介質(zhì)內(nèi)的溫度分布。計算結果表明，由于介質(zhì)散熱表面不能完全緊密接觸，其溫度場呈現(xiàn)一定程度的隨機起伏，越靠近邊界，隨機起伏越明顯，介質(zhì)中心區(qū)域隨機起伏則不明

4、顯；有效熱接觸面積越小，這種隨機起伏越強烈。由于該溫度場的影響，激光介質(zhì)表面附近的相位差存在起伏并深入一定深度。隨抽運功率的增大，相位差的起伏增強；接觸面積增大時，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功率近似線性增加，基模光半徑越大，增加的斜率越大；當基模光半徑較大時，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)制器對環(huán)形腔中兩個方向光波的衍

5、射效率，結果表明：在入射角偏離布拉格角一定角度時，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小；最大衍射效率差隨超聲波功率的增加而增大，增大的斜率逐漸減小；超聲波頻率越高，能提供更大的衍射效率差。在此基礎上，數(shù)值求解速率方程研究環(huán)形腔自注入鎖定過程，結果表明：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，該比值迅速增大，

6、當超聲波頻率高于10 MHz后，該比值趨于穩(wěn)定；該比值隨抽運功率的增加而增大，增大趨勢逐漸變緩。在通常實驗條件可得到的抽運功率、超聲波頻率和超聲波功率下，光子數(shù)密度之比可達十幾個數(shù)量級，能保證成功實現(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；能達到的最高重復頻率隨抽運功率的增大線性增大，在幾十瓦的抽運功率水平下重復頻率在千赫茲量級。第四部分：提出一種多子光束相干發(fā)射方案提高激光對遠距離小目標的探測能力。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，因此它們在目標面上產(chǎn)生干涉主峰，用此干涉主峰進行探測。目標越小，此方案相對于直接發(fā)射的優(yōu)勢越突出。計算結果表明：子光束在目標面上產(chǎn)生干涉主峰，理想情況下峰值光強為直接發(fā)射的N sub（N sub為子光束數(shù)目）倍。給出了系統(tǒng)設計中所允許的光束間距；設計中還應適當壓縮發(fā)散角，增大目標上的總功率。發(fā)射鏡位置和角度抖動使得光斑畸變、光強閃爍，為獲得穩(wěn)定的干涉主峰，