基于增益光柵的調(diào)Q脈沖單頻固體激光器穩(wěn)頻機(jī)理研究

理論上分析了介質(zhì)中主要存在的增益光柵，包括透射光柵和反射光柵，對(duì)飽和增益介質(zhì)中的簡(jiǎn)并四波混頻橫向二維特性進(jìn)行分析。分別討論了穩(wěn)態(tài)，瞬態(tài)和一般時(shí)間狀態(tài)下四波混頻的相互作用特性。 針對(duì)非互易式單頻脈沖激光器進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確定了激光器結(jié)構(gòu)，增益介質(zhì)，泵浦源的參數(shù)，分析了輸出，泵浦，介質(zhì)增益三者的關(guān)系。為保證環(huán)路的增益，采用Nd:YVO4作為增益介質(zhì)。設(shè)計(jì)了掠入射式結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)緊湊的同時(shí)保證自交叉光夾角足夠小，提高增益光柵的衍射效率和輸出效率。 采用非互易式環(huán)形脈沖激光器結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，獲得了自啟動(dòng)的單頻脈沖輸出。為提高輸出脈沖能量和單頻穩(wěn)定性，通過(guò)優(yōu)化輸出鏡、非互易式原件分辨偏振光的能力、自交叉光的交叉角以及增益光柵區(qū)域與泵浦區(qū)域的匹配的方法，從整體上提高了整個(gè)增益光柵激光系統(tǒng)的匹配程度，得到單脈沖能量0.9mJ，脈沖寬度8ns，重頻10Hz，線寬約0.98pm的穩(wěn)定單頻輸出。 在自啟動(dòng)單頻脈沖輸出的基礎(chǔ)上，采用外部種子沿著信號(hào)光方向注入環(huán)路，引導(dǎo)增益光柵形成，使增益光柵記錄種子光的全部信息。首次得到了中心波長(zhǎng)在種子光的譜線范圍內(nèi)的穩(wěn)定輸出，證明了通過(guò)增益光柵實(shí)現(xiàn)穩(wěn)頻輸出的構(gòu)想。

采用基于增益光柵的自適應(yīng)環(huán)形激光諧振腔結(jié)構(gòu)，開展種子注入調(diào)Q脈沖單頻激光器穩(wěn)頻機(jī)理研究，提高單頻輸出激光的頻率穩(wěn)定性、可靠性和抗干擾能力。研究增益光柵的二維動(dòng)態(tài)特性，獲得增加增益光柵的橫向光場(chǎng)變化范圍的途徑；研究在腔內(nèi)插入相關(guān)元件變換腔內(nèi)光束尺寸方法，抑制相位共軛反射率不一致，消除相互作用光束的橫向形狀和光束位置變化對(duì)穩(wěn)頻的影響，揭示種子注入環(huán)形激光諧振腔擴(kuò)展增益光柵作用區(qū)域穩(wěn)頻的機(jī)理；優(yōu)化諧振腔光學(xué)元件的參數(shù)，獲得高重復(fù)頻率、大脈沖能量、高光束質(zhì)量的調(diào)Q脈沖單頻穩(wěn)頻激光輸出；研究穩(wěn)頻系統(tǒng)的抗干擾特性，獲得具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的關(guān)鍵技術(shù)，為探索調(diào)Q脈沖單頻穩(wěn)頻激光器可靠性的提高提供一新途徑，為激光雷達(dá)、光電對(duì)抗等系統(tǒng)的研究提供支撐。

結(jié)合脈沖管制冷機(jī)發(fā)展的前沿方向和國(guó)內(nèi)現(xiàn)階段對(duì)微型低溫制冷機(jī)的迫切需求，開展100Hz超高頻脈沖管制冷機(jī)微型化的理論與實(shí)驗(yàn)研究。一方面通過(guò)理論分析和數(shù)值模擬的方法，深入研究超高頻和微型化情況下脈沖管制冷機(jī)內(nèi)部氣體的工作流程和物理機(jī)制，重點(diǎn)針對(duì)超高頻條件下?lián)Q熱時(shí)間短、微型化導(dǎo)致脈沖管直徑小、換熱面積不足等關(guān)鍵問(wèn)題，探索在現(xiàn)有50Hz高頻脈沖管制冷機(jī)基礎(chǔ)上向超高頻、微型化發(fā)展的改進(jìn)途徑，豐富和發(fā)展脈沖管制冷機(jī)的基本理論；另一方面在理論研究的基礎(chǔ)上，研制超高頻微型脈沖管制冷機(jī)的原理樣機(jī)，利用理論結(jié)果指導(dǎo)制冷機(jī)的蓄冷器、脈沖管、換熱器及調(diào)相機(jī)構(gòu)等關(guān)鍵部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)，解決因超高頻和微型化帶來(lái)的制冷性能惡化的主要問(wèn)題，掌握制作更小尺寸脈沖管制冷機(jī)的設(shè)計(jì)能力，同時(shí)利用實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證本項(xiàng)目對(duì)超高頻微型脈沖管制冷機(jī)內(nèi)部氣體工作過(guò)程及流動(dòng)、換熱等物理機(jī)制方面所獲得的認(rèn)識(shí)。

針對(duì)超高頻條件下脈沖管制冷機(jī)內(nèi)部氣體的交變流動(dòng)特性展開理論與試驗(yàn)研究，針對(duì)脈沖管內(nèi)氣體在100Hz超高頻條件下的交變流動(dòng)特性，采用美國(guó)NIST開發(fā)的REGEN3.3軟件開展蓄冷器絲網(wǎng)、尺寸的模擬計(jì)算，利用LosAlamos實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的DeltaE軟件對(duì)長(zhǎng)頸管的相位調(diào)節(jié)和流量控制進(jìn)行數(shù)值模擬，得到適合100Hz條件下工作的制冷機(jī)關(guān)鍵部件的最優(yōu)結(jié)構(gòu)。 在優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，研制直線型的超高頻脈沖管冷指原理樣機(jī)，如圖3所示，其回?zé)崞魍鈴綖?.8mm，總長(zhǎng)度為150mm，重量380g。該原理樣機(jī)無(wú)雙向進(jìn)氣， 80W輸入功率下可獲得1.2W@80K的制冷性能。 根據(jù)直線型樣機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)轉(zhuǎn)換為同等尺度的同軸型脈沖管冷指，在對(duì)同軸結(jié)構(gòu)冷端流場(chǎng)轉(zhuǎn)捩進(jìn)行模擬優(yōu)化的基礎(chǔ)上，研制出冷指外徑9mm，長(zhǎng)度42mm的同軸型超高頻冷指樣機(jī)，為不銹鋼和紫銅材料的全焊接結(jié)構(gòu)，不包含慣性管氣庫(kù)的重量為250g。在雙向進(jìn)氣的優(yōu)化條件下，其制冷性能為：80W輸入功率下最低溫度可達(dá)46K，能夠提供2.1W@80K的制冷量。該同軸型冷指與美國(guó)NGST公司的100Hz超高頻微型冷指的參數(shù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在制冷效率方面本項(xiàng)目同軸冷指接近美國(guó)水平，而在微型化方面本項(xiàng)目研制的超高頻同軸冷指優(yōu)于美國(guó)的同軸冷指。 在超高頻冷指達(dá)到世界先進(jìn)水平的研究基礎(chǔ)上，超出本項(xiàng)目研究計(jì)劃，對(duì)壓縮機(jī)的高頻特性展開理論分析與實(shí)驗(yàn)研究。目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)小型化的高頻壓縮機(jī)，本研究在理論分析的指導(dǎo)下，利用已有的高頻脈沖管冷指，首先通過(guò)調(diào)相機(jī)構(gòu)的改進(jìn)，使得現(xiàn)有的50Hz壓縮機(jī)與冷指耦合后的最佳工作頻率提高到80-100Hz；然后在高頻條件下改變壓縮機(jī)的磁場(chǎng)強(qiáng)度、線圈繞組、活塞面積、彈簧剛度以及充氣壓力等結(jié)構(gòu)和條件，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究摸清壓縮機(jī)的高頻工作特性，將超高頻冷指的制冷效率進(jìn)一步提高，并為高頻壓縮機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)打下堅(jiān)實(shí)的研究基礎(chǔ)。 2100433B

噪聲對(duì)單頻激光的性能有著嚴(yán)重的劣化效應(yīng)，本項(xiàng)目以研究基于新型高增益玻璃光纖的1.5μm波段單頻光纖激光器內(nèi)部噪聲產(chǎn)生及抑制所涉及的新原理與新方法等基礎(chǔ)問(wèn)題為目標(biāo)，著重研究基質(zhì)玻璃中稀土離子的激發(fā)、能量傳遞、躍遷等物理過(guò)程對(duì)自發(fā)發(fā)射光的影響規(guī)律，探索自發(fā)發(fā)射光對(duì)量子噪聲的影響機(jī)制；研究光纖制備及熔接中納米級(jí)團(tuán)蔟、芯包層界面及熔融點(diǎn)界面組分與結(jié)構(gòu)的微不均勻性，探索由此引起的彈性散射以及熱彈性散射對(duì)量子噪聲的影響機(jī)制；研究光纖材料中原子、分子、價(jià)鍵結(jié)構(gòu)及非線性折射率等與非彈性散射、非線性效應(yīng)之間的內(nèi)在關(guān)系，探索非彈性散射和非線性效應(yīng)對(duì)量子噪聲的影響機(jī)制。建立短DBR型單頻光纖激光諧振腔噪聲分析理論模型，實(shí)驗(yàn)研究抑制單頻激光噪聲的方法。本項(xiàng)目研究將有助于加深人們對(duì)單頻光纖激光噪聲等物理問(wèn)題的理解，促進(jìn)超低噪聲單頻光纖激光材料及器件技術(shù)的發(fā)展。