1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所激光与物质相互作用国家实验室；吉林 长春 130033
2 中国科学院大学，北京 100049
为了提升激光等离子体极紫外光刻机光源中高重复频率、短脉冲CO2主振荡功率放大系统能量提取效率，需开展种子光光强截面分布与激光放大器增益分布的耦合匹配特性研究。基于欧拉-拉格朗日公式与Frantz-Nodvik方程，采用变分法求解了特定增益分布下最优种子光光强分布函数，研究了种子光半径、种子光光强分布与放大器增益分布对功率提取效率的影响。数值模拟表明：当脉冲种子光功率为500 W时，基模高斯光束的最优光束半径为0.54 cm，低功率种子光的最优光束半径与放大器增益宽度不相等；当脉冲种子光功率为2000 W时，高阶超高斯光束的最优光束半径接近增益区域半径，8阶超高斯光束对应的最佳光束半径为0.9 cm，功率提取值为3409 W，采用高阶的增益分布和与之匹配的超高斯光束能够极大提升放大器的能量提取值。该研究结果将为脉冲CO2主振荡功率放大系统的设计提供理论指导。
极紫外光源 CO2激光 脉冲放大 增益-光强匹配 变分法 激光与光电子学进展
2023, 60(23): 2314008
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所激光与物质相互作用国家重点实验室，吉林 长春 130033
2 中国科学院大学，北京 100049
为了实现极紫外光刻光源驱动激光光斑位置的高精度、宽范围、快响应检测，设计了一种高重复频率窄脉冲信号多通道同步采集处理电路，并提出了基于高斯光斑模型的二级扩展误差补偿算法，可以为极紫外光刻光源驱动激光指向控制提供高精度反馈调节量。首先，介绍了光斑位置检测系统的结构组成与四象限探测器的基本检测原理；然后在考虑探测器半径、光斑半径以及沟道宽度等因素影响的前提下对误差补偿函数进行改进，并对改进的二阶扩展误差补偿算法进行了仿真分析；接着介绍了用于高重复频率窄脉宽信号的多通道同步高速采集电路；最后搭建了实验平台，对改进的算法进行验证。实验结果显示，二阶扩展误差补偿算法的均方根误差为0.0042，最大绝对误差为0.0092 mm，绝对误差的平均值为0.0034 mm；与二阶误差补偿算法相比，二阶扩展误差补偿算法的均方根误差、最大绝对误差和绝对误差的平均值分别降低了83.06%、85.28%和83.50%。表明二阶扩展误差补偿算法与二阶误差补偿算法相比，具有明显的优越性及实用性，在扩展了光斑位置检测范围的同时，光斑位置的检测精度也得到了明显的提升，解决了传统算法无法兼顾计算速度与检测精度的问题。
测量 光斑位置检测 极紫外光刻光源 高重复频率窄脉冲 CO2激光 四象限探测器
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所 激光与物质相互作用国家重点实验室,吉林 长春 130033
2 工业和信息化部电子第五研究所，广东 广州 510000
3 火箭军装备部驻哈尔滨地区军事代表室, 黑龙江 哈尔滨 150028
4 北方自动控制技术研究所，山西 太原，030006
面向机载激光差分吸收雷达对小型轻量化激光光源的应用需求，研制了紧凑型自动调谐脉冲CO2激光器。首先，研究了射频波导腔内光束和自由空间光学斩波光束孔径匹配关系，设计了具有实焦点的腔内光束变换系统，实验验证了斩波器通光孔径对激光脉冲波形的影响。其次，研究了CO2激光器的波长调谐特性，分析了相邻激光谱线光栅衍射角度差，并基于高精度电动转台和金属闪耀光栅，实现了CO2激光器波长自动调谐输出。最后，基于小型轻量化模块设计，完成了紧凑型自动调谐脉冲CO2激光器集成。实验结果表明，该激光器在1 kHz条件下运转稳定，脉冲宽度为350 ns，峰值功率为3.7 kW，在9.2~10.7 μm范围内测试到30条激光谱线，重量为18 kg，本文研究为机载激光差分吸收雷达提供了一种小型化探测光源。
CO2激光器 机械调Q 波长自动调谐 小型化集成 CO2 laser mechanical Q-switch wavelength automatic tuning miniaturization integration
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所激光与物质相互作用国家重点实验室，吉林 长春 130033
2 中国科学院大学，北京 100049
设计了一套极紫外光刻光源系统的光束准直系统，用于满足极紫外光刻光源系统对光束指向稳定性的需求，保证极紫外光的转换效率。准直系统由两部分组成，光束抖动检测模块和光束准直模块，通过分析光束抖动机理、光束控制原理，基于虚拟仪器开发软件LabVIEW，搭建了一套检测加控制的闭环准直系统。实验结果表明：光束经过准直系统后，水平方向抖动幅度小于2 μm，垂直方向抖动幅度小于4 μm，指向稳定性低于6 μrad，满足光源系统对光束指向稳定性的要求。
激光光学 极紫外光刻 光束抖动 光束稳定 闭环控制 激光与光电子学进展
2021, 58(17): 1714004
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所 激光与物质相互作用国家重点实验室, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 96901部队，北京 100094
激光多普勒雷达实际测得的振动信号绝大多数都是时变信号，而基于傅立叶变换的时频分析方法是处理时变信号的有利工具。本文针对激光多普勒雷达测得的实际振动信号，比较了魏格纳-维利分布、平滑伪魏格纳-维利分布、频谱图、波恩-约旦分布和扩展修正B分布5种形式的时频分析性能。利用激光多普勒雷达测量实际单音响产生的啁啾信号振动、双音响产生的二分量啁啾信号振动、以及成年男性心跳振动3种振动，分析了时频图的分辨率和交叉项抑制情况，并通过计算时频聚集度指数，比较了5种分布情况下振动的分析性能。实验证明，扩展修正B分布的性能优于其他4种时频分布，扩展修正B分布更适合应用于激光多普勒雷达材料共振频率探测和心跳检测领域。
时频分析 激光多普勒测量 扩展修正B分布 time-frequency analysis laser doppler measurement extended modified B distribution
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033
2 激光与物质相互作用国家重点实验室，吉林 长春 130033
本文对激光空间合束主镜进行优化设计与分析，以抑制强激光空间合束系统主镜热畸变，提高主镜面形精度。首先，对比分析了选择不同材料作为主镜基底的优缺点，从理论上初步确定了主镜材料、镜体厚度、支撑方式和轻量化结构形式；然后，利用有限元方法对空间合束主镜进行了热畸变分析，并结合热畸变结果对镜体结构形式进行拓扑优化设计；最后，对主镜进行重力、环境适应性和基频分析，验证设计的合理性。分析结果表明：6光合束主镜在单束10 kW激光辐照下，随着辐照时间的增加，镜面温升值和P-V值逐渐增大；辐照3 min后初设计主镜表面温度达83.4 ℃，P-V值为155 nm，受镜体结构影响，辐照区内热畸变值不一致，差值约占镜面P-V值的1/6；为改善热畸变的不一致性，提高镜体强度，对主镜进行拓扑优化设计，优化后主镜轻量化达54.5%，辐照区热畸变一致性好，镜面热畸变量减小了近1/3；不同俯仰姿态下，主镜重力变形值基本相同，不足10 nm；环境温度的改变会引起主镜的镜面畸变和平移，稳态温差值越大，主镜面形P-V值和镜面平移量越大；模态分析显示主镜基频满足系统要求。本文研究结果将对激光空间合束系统的设计提供依据。
大功率激光 空间合束 主镜 激光热畸变 轻量化设计 high power laser incoherent combining primary mirror laser thermal deformation light weight
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所 激光与物质相互作用国家重点实验室，吉林 长春 130033
2 中国科学院大学，北京 100049
3 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所 空间光学研究二部，吉林 长春 130033
光纤激光相干合成是获得高功率高光束质量输出较为有效的途径，而湍流大气是制约其应用与发展的关键因素之一。本文重点研究了大气格林伍德频率对基于随机并行梯度下降算法（SPGD）相干合成系统校正效果的影响。首先，在静态大气条件下，分析了不同湍流强度对相干合成系统校正效果的影响；然后，利用数值计算生成一组旋转的符合Kolmogorov统计规律的相位屏模拟湍流大气，对在不同大气格林伍德频率下相干合成系统的校正效果进行研究；最后，搭建两路光纤激光相干合成实验平台，进行实验验证。仿真和实验结果表明，在系统的控制算法迭代频率（350 Hz）一定时，随着大气格林伍德频率的增加，湍流大气对光束的相位和光强的扰动加剧，使得相干合成系统的合成效果变得越来越差。
相干合成 SPGD算法 湍流大气 相位屏 coherent beam combining SPGD algorithm turbulent atmosphere phase screen
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所 激光与物质相互作用国家重点实验室, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
为了明确超快激光损伤典型成像探测器膜层结构的物理机制, 对飞秒脉冲激光辐照硅基多层膜的损伤特性, 以及各种损伤效应对应的激光能量通量范围和阈值条件进行研究。利用波长为800 nm、脉冲宽度为100 fs的脉冲激光和金相显微镜研究了硅基多层膜在不同激光能量通量和不同脉冲累积下的损伤效应。在能量通量为101~247 J/cm2的激光单脉冲辐照下, 激光作用区域可观察到氧化/无定形化、非热烧蚀和激光诱导等离子体烧蚀所引起的表面损伤, 其损伤效应与激光能量通量有明显联系, 激光作用区域尺寸随能量通量线性增大。在242 J/cm2到247 J/cm2激光能量通量范围内, 可在辐照表面观察到激光诱导压力导致的多层损伤, 损伤概率随激光能量通量的增加由1%增大到51%。在激光能量通量为101 J/cm2的连续多脉冲辐照下, 烧蚀区域尺寸几乎不变, 但烧蚀深度逐渐增加, 其多层损伤机制为表面损伤的累积效应。通过单脉冲损伤实验数据拟合计算确定, 飞秒激光诱导硅基多层膜表面损伤阈值为0543 J/cm2, 应力多层损伤阈值为216 J/cm2。低激光能量通量(≤101 J/cm2)多脉冲辐照累积作用同样可造成硅基多层膜深层损伤。
激光烧蚀 激光损伤 硅基多层膜 损伤阈值 laser ablation laser damage Si-based multi-layer film damage threshold
Author Affiliations
Abstract
1 Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences, Changchun 130033, China
2 Center of Materials Science and Optoelectronics Engineering, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
A 1550 nm all-fiber pulsed laser Doppler vibrometer (LDV) based on time-domain chopping techniques is developed to overcome demodulation failures caused by multipath interference. The system adopts an adjustable configuration on pulse duration and pulse repetition frequency according to the distance. An experiment is carried out at a 25 m standoff with pulse duration of 80 ns, single pulse energy of 0.4 nJ, and pulse repetition frequency of 1 MHz. A waveform and spectrogram of the demodulated voice show that the pulsed LDV system has a good performance in long-range voice listening.
120.7280 Vibration analysis 280.3340 Laser Doppler velocimetry 040.2840 Heterodyne Chinese Optics Letters
2019, 17(5): 051201
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所激光与物质相互作用国家重点实验室, 吉林 长春 130033
理论分析了室温条件下掺铁硒化锌（Fe2+∶ZnSe）激光横向寄生振荡特性，结果显示通过减小抽运光斑尺寸可有效提升寄生振荡反转粒子数阈值，从而抑制Fe2+∶ZnSe激光横向寄生振荡。以非链式脉冲氟化氢（HF）激光器为抽运源，搭建了Fe2+∶ZnSe激光器实验装置，通过插入不同孔径的光阑，实验研究了不同抽运光斑尺寸下的Fe2+∶ZnSe激光输出特性。实验结果表明，对于端面尺寸为20 mm×20 mm的Fe2+∶ZnSe激光晶体，当抽运光斑尺寸≤9.2 mm时，横向寄生振荡现象可得到有效抑制，与理论分析结果相符。室温条件下，所获得的最高Fe2+∶ZnSe激光脉冲能量为136 mJ，斜效率为33.2%，相对于抽运激光能量的光-光转换效率为26.5%。
激光器 中红外激光 Fe2+∶ZnSe激光 寄生振荡 室温 中国激光
2018, 45(11): 1101001
