激光对瞬态过程检测中的光学设计技术研究

摘要

等离子体的产生过程直接影响电爆炸法制备纳米铝粉的质量，而对等离子体进行检测是完善制备工艺的必要条件。
　　理论分析了激光器所要达到的具体参数要求。在实验台上搭建了一台声光调Q激光器，对其输出功率曲线及脉冲宽度进行了测量，分析了泵浦功率超过17W后激光功率下降的原因，为进一步改善激光器性能提供依据。分别进行了腔外倍频与腔内倍频实验，对腔内倍频激光器的输出功率曲线及脉宽进行了测量，在一定的泵浦功率范围，输出功率能够稳定提升。在实验平台上搭建了Mach-Zehnder干涉仪，采用腔内倍频激光器分别进行了连续光干涉与脉冲光干涉实验，通过细致调节，获得良好的干涉条纹。
　　提出了一种效率更高的耦合系统设计方案，光光效率可达22％。运用机械设计软件设计了整套激光器零部件，并制造了的声光调Q倍频激光器样机，对该激光器的输出功率曲线及脉冲宽度进行了测试，发现光光效率可以达到27％，脉冲宽度为4.2ns，对其输出功率的波动原因进行了分析并提出改进方案。利用刀口法测出该激光器的远场发散角为7.2mrad。
　　对激光扩束系统进行了研究，提出了一套对50×的折射式扩束系统进行改进的方案。经采用Zemax软件优化设计，最终获得了40×的三片式激光扩束系统，对其参数进行了分析预计该系统具有很好的扩束效果。
　　对光学成像系统在实验室中进行了研究，根据实验结果发现实际需求的成像系统应当满足：主光线角小于7°，由多个透镜组成且透镜位置固定，焦距150mm，尽量减小像差。之后采用Zemax软件进行设计优化得到一款三片式成像系统，对其参数分析，预计该系统能够很好的满足使用要求。
　　运用机械设计软件设计了一整套干涉检测设备，以激光器、Mach-Zehnder干涉仪、激光扩束系统及光学成像系统为部件，组建了干涉检测系统。进行了现场测试，通过CCD可以观察到爆炸腔充入惰性气体的过程，发现在充气过程中由于气流扰动会导致条纹紊乱。对金属丝爆炸并扩散的动态过程进行了观测，发现膨胀速度最高可达5km/s，全部覆盖爆炸区需要50μs。此外，还观察到由于金属丝扭曲而产生的爆炸分支现象。测试数据表明所研制的设备完全能够满足对生产过程进行检测的需求。

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第一章 绪论

1.1 选题意义与创新

1.2 电爆炸法的基本原理

1.3 等离子体诊断方法

1.4 固体激光简介

1.5 本文内容及章节安排

第二章 激光器及光学设计理论基础

2.1 Nd:YAG晶体基本特性

2.2 速率方程

2.3 光学谐振腔

2.4 声光调Q技术

2.5 倍频技术

2.6 光学设计方法

2.7 本章小结

第三章 激光器与光学检测设备光路的设计及实验研究

3.1 激光器参数设计

3.2 激光器参数设计的实验验证

3.3 激光干涉实验

3.4 激光器正式样机的设计制造与测试

3.5 干涉检测设备光路的设计搭建与现场测试

3.6 本章小结

第四章 激光扩束系统设计

4.1 激光扩束系统的作用及种类

4.2 激光扩束系统的原理

4.3 光学设计

4.4 本章小结

第五章 光学成像系统设计

5.1 滤光片

5.2 CCD

5.3 单个透镜的成像效果分析

5.4 光学成像系统设计

5.5 本章小结

第六章 总结

参考文献

致谢

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