左手材料平板对傍轴高斯光束聚焦特性分析

在傍轴近似下,推导出了左手材料平板聚焦系统的传输矩阵,并利用ABCD定律得到了高斯光束在左手材料中和经过平板透镜聚焦后的传输公式。高斯光束在左手材料内部和像空间的传输公式的研究表明:像高斯光束和物高斯光束束腰大小一致,即左手材料平板透镜实际上对高斯光束没有聚焦作用。研究同时表明左手材料平板对高斯光束的聚焦与几何光学成像规律完全一致,而不存在一般透镜聚焦时的焦移效应。     

高斯光束非线性“热像”效应研究

高功率激光系统中非线性“热像”强度可能达到光学元件损伤阀值，从而对系统的安全运行造成威胁.以往的非线性“热像”现象研究都是基于无限大平面光波背景，但实际系统中传输的是有限束宽光束.本文以高斯光束为例，基于无像差自聚焦理论分析了有限束宽光束的“热像”形成规律.结果表明，高斯光束“热像”的强度与位置在光束腰斑较小时与平面光波情况有明显不同，但光束腰斑较衍射物大得多时，高斯光束可以近似当作平面光波处理.     

带高斯镜的热透镜谐振腔的光腔特性及动力学稳定性

建立了带高斯镜的热透镜谐振腔的光学矩阵，分析了谐振腔的稳定性条件及腔内高斯光束的传输特征，通过研究光腔特征参数随热透镜变化的动力学特征，探讨了此类谐振腔的动力学稳定性。     

球面折射系统对高斯光束的变换和传输模拟

为研究高斯光束在厚透镜中的传输特性,由几何光学处理傍轴光线的方法,理论上推导了高斯光束的物像束腰位置以及物像束腰半径间的关系,并由高斯光束传输光线就是单叶双曲面直母线的假设,光线追迹模拟了高斯光束在透镜系统的传输过程.模拟结果表明,当物高斯光束束腰位置与透镜系统物方焦点的距离远大于高斯光束的共焦参数时,用几何光学傍轴光线方法所得到的高斯光束束腰位置和半径的理论结果与光线追迹得到的高斯光束束腰位置和半径模拟结果一致,否则,光线追迹模拟结果不正确.     

1064 nm高功率明亮压缩态光场实验制备中的热透镜效应

本文通过理论和实验分析了1064 nm高功率明亮压缩态光场实验制备过程中,高功率种子光和泵浦光注入光学参量放大器引起的热透镜效应和模式失配。首先根据热透镜理论模型,定量分析了高功率种子光和泵浦光注入光学参量放大器时,周期极化磷酸氧钛钾晶体内部热透镜的等效焦距。然后根据高斯光束与光学谐振腔的模式匹配理论模型,理论分析了高功率种子光和泵浦光与光学参量放大器的模式失配量。最后在高功率明亮压缩态光场正常输出的工作状态下,重新优化种子光和泵浦光与光学参量放大器的模式匹配效率,在种子光功率为500 mW、泵浦光功率为145 mW的条件下,在分析频率3 MHz处,直接测得光功率为200μW、压缩度为-10.8 dB±0.2 dB的明亮压缩态光场。上述实验结果与有关文献测得的压缩度仅相差0.1 dB,表明在本文实验系统中,高功率种子光和泵浦光引起的热透镜效应对光学参量放大器输出明亮压缩态光场的压缩度基本没有影响。     

高斯光束通过失调透镜系统的聚焦特性

为分析透镜系统中圆孔光栏和透镜失调对高斯光束聚焦特性的影响,利用椭圆光栏近似展开式和失调光学系统的广义衍射公式,推导高斯光束经含圆孔光栏失调透镜系统传输的近似解析式,得到输出光束光强极大值场分布与光束参量、孔径尺寸、光栏和透镜失调量之间的关系。针对特定透镜系统,定量分析失调量对输出光束聚焦特性的影响。结果表明:各元件的失调对输出光束聚焦特性均产生影响,在失调量较小时透镜横位移对输出光束聚焦特性的影响比透镜角位移对输出光束聚焦特性的影响更明显。     

基于酱油热透镜效应的现象演示及焦距测量

为了演示低功率高斯激光条件下的热透镜效应,采用酱油作为研究介质,设计了简易、低成本、安全可靠、可控性好的可视化装置,来观察该非线性光学效应,采用光学成像法与高斯光束变换法测量热透镜等效焦距,通过比较验证,得到的结果接近,证明了这两种方法的可行性.     

高能激光大气传输的仿真实验研究

 对高能激光在大气中传输时产生的热晕效应及其相位补偿进行了室内仿真实验测量,获得了自适应光学系统开闭环时用来衡量光束传输效果参量（如远场的光斑图像、质心漂移、二阶矩半径、及Strehl比等）。结果表明,Bradley-Hermann热畸变参数在300范围内,自适应光学系统相位补偿效果显著,Strehl比基本大于0.4。然而随着热畸变效应的进一步加强,出现相位补偿不稳定性现象,补偿效果变差。另外,对自适应光学系统开闭环时的实验结果分别与薄透镜近似分析理论及几何光学近似理论作了比较。比较结果表明:薄透镜近似理论与未补偿时的实验结果吻合较好,而几何光学近似理论与补偿后的实验结果存在较大的偏差。     

高斯光束匹配的讨论

采用稳定腔的激光器所发出的激光，将以高斯光束的形式在空间传输．我们能够从已知的腔参数，推导出高斯光束的参数，就可以用透镜那样的光学元件来使一个腔的高斯光束同另一腔的高斯光束相匹配本文讨论两共轴高斯光束的匹配问题．     

聚吡咯甲烯/聚乙烯醇薄膜对高斯光束的衍射行为

制备了一种新型有机聚合物（聚吡咯甲烯）与聚乙烯醇的非线性光学复合薄膜,在该样品的激光纵向扫描实验中发现,随着样品相对于高斯光束束腰位置的不同,产生了两种不同结构的同心衍射环,理论分析表明,该现象可以用光克尔效应和热光非线性效应共同作用下的附加相位孔对入射光束的衍射行为解释,从菲涅耳－基尔霍夫衍射积分公式出发,建立了非线性光学介质对高斯光束的衍射模型,通过数值积分,得到了与实验现象符合的计算结果。     

激光辐照猫眼光学镜头时的反射特性机理研究

运用矩阵光学理论以及将硬边光阑窗口函数展开为有限个复高斯函数之和的方法, 对激光束辐照猫眼光学镜头时产生的猫眼效应机理进行了理论推导. 通过数值计算对猫眼效应的反射规律进行了分析, 并利用532nm激光辐照一个变焦范围为12—72mm的光学镜头进行了猫眼效应的实验验证, 从而得出了猫眼效应反射光特性与入射激光参数以及猫眼光学镜头的口径、焦距、离焦量等基本参数之间的关系. 研究表明, 猫眼效应反射光特性与猫眼光学镜头参数和入射激光参数密切相关, 且当猫眼光学镜头位于近场和远场的情况有很大不同. 根据入射光束 关键词： 猫眼光学镜头 猫眼效应 高斯光束 反射特性     

Ultra-low loss laser communications technique using smart beamforming optics

Theory and design is presented for a technique for ultra-low loss laser communication that uses a combination of strong and weak thin lens optics, hence obeying the paraxial approximation. As opposed to conventional laser communication systems, the Gaussian laser beam is prevented from diverging at the receiving station by using a weak thin lens that places the transmitted beam waist mid-way between a symmetrical transmitter-receiver link design. The weak lens can be a fixed optic for static link distances or programmable for mobile scenarios. The programmable weak optic can be a single pixel or multi-pixel lens made by liquid crystal or mirror technologies. The proposed link design is appropriate for low air turbulence links such as short-range or indoor links and space based links.     

等离子体中散斑光场的传输特性

为了深入了解激光驱动惯性约束核聚变系统中连续位相板所产生的散斑在抑制等离子体非线性效应时起到的作用,采用统计光学理论及矩阵光学方法,分析了散斑在等离子体中的传输特性,并通过数值模拟计算了散斑的自相关函数值.在此基础上,解释了散斑抑制等离子体非线性效应的机制,通过定量计算揭示了散斑光场的自相关长度在传输过程中的变化.结果表明,高密度等离子体中的散斑自相关长度更短,这有助于对等离子体中各类非线性效应的抑制.     

Thermal lens determination of LD end-pumped solid-state laser with stable resonator by slit scanning method

A simple method to determine the thermal focal length of LD end-pumped solid-state laser with stable resonator is presented. The M² factor describing the quality of the beam can be obtained by scanning a slit through the multi-mode Gaussian beam field. The waist width of the beam and the corresponding TEM₀₀ under the same parameters of laser are then deduced through the law of multi-mode Gaussian beam propagation. Based on the standard matrix theory of stable resonator, the thermal focal length of the gain medium can be easily achieved. To show the application of this approach, the thermal focal length of an LD pumped Nd:YVO₄ laser is measured and the experimental results are in agreement with the theoretical prediction.     

自适应控制飞行光学聚焦特性

 在对高阶模飞行光学聚焦特性进行研究的基础上，提出了应用自适应飞行光学聚焦系统来解决飞行光学聚焦特性的问题，对自适应飞行光学聚焦系统的调节特性进行了数值模拟，结果表明该系统能够实现对长距离飞行光学激光加工过程中焦点位置与焦斑大小的控制。     

Automatic compensation of laser beam focusing parameters for flying optics

Flying optics technologies are used for a range of applications such as a large workpiece processing and laser texturing. It is essential to compensate the variations of laser beam focus parameters while the focus head is moving. A flying optics automatic compensation approach is proposed to achieve invariable laser focal size, focus depth and focus position through computer controlled objective lens and focus lens position. A simple mechanical control method is also presented for the realization of constant beam parameters for flying optics. Numerical simulation is illustrated for a CO₂ laser texturing application. The flying optics parameters compensation is simple and easy to control.     

采用大口径投影光学系统监测远场散斑特征参数

大口径投影光学系统采用低成本、大口径菲涅耳透镜制作,可将远场散斑强度分布投影到CCD成像探测器上。通过CCD图像处理,能够对给定孔径上的接收功率、闪烁指数进行量化评估;在接收孔径足够大、保障散斑不会因为光束漂移效应而脱离菲涅耳透镜的条件下,该系统还可以对光束漂移和特征半径进行量化评估。同时讨论了CCD像元响应非均匀性误差及其影响、CCD辐照响应函数和图像几何投影系数的定标方法。实验表明,系统能够对激光大气传输过程中的远场散斑特征参数进行监测。特别对自由空间激光通信系统而言,可以为大气衰减和多种大气湍流效应综合作用下的中值电平慢衰落研究和检测阈值优化设计提供实验数据支撑。     

任意形状凸粗糙物体高斯光束相干散射研究

研究了任意形状凸粗糙物体对高斯光束的相干散射特性。由平面波谱展开法推导出粗糙面高斯波束散射场表达式．并根据物理光学近似和稳相法原理得到相干散射截面的理论公式。与平面波解不同的是,在公式中引入了波束因子这一表征波束作用的重要参量,该参量与束腰半径、束腰中心与物体中心距离和物体照射面积以及入射、散射方向有关。最后数值计算了1．06μm激光波束对粗糙球的散射,分析了波束因子．介电常量和极化状态对红外激光相干散射截面的影响,重点讨论了波束因子的变化规律。分析表明．当波束半径远大于物体尺寸时,波束入射的结果可退化到平面波情况。     

倾斜离轴高斯-谢尔模型光束在大气湍流中通过猫眼光学镜头反射光的光强特性

本文研究了大气湍流和探测光空间相干性对倾斜离轴激光束通过猫眼光学 镜头反射光光强特性的影响. 研究表明: 由于光阑效应以及光束倾斜或离轴, 反射光光强出现振荡和非对称分布现象. 大气湍流不会改变其非对称性, 但湍流中其光强不再振荡. 当猫眼光学镜头存在微弱正离焦δ_max情况下, 轴上光强可达到最大值. 猫眼光学镜头焦距越大, 所需δ_max越大. 但是, 大气湍流和探测光相干性好坏都不会改变所需δ_max值. 在大气湍流中传输距离足够远时, 反射光强会成为离轴类高斯分布. 随着传输距离的增大, 相干性越差的探测光的反射光束扩展可以更小, 这与部分相干光自由空间传输规律完全不同. 探测光相干性越好, 其反射光强受湍流的影响越大, 但差异不大. 本文所得结果对激光主动探测的应用具有意义. 关键词： 猫眼光学镜头 大气湍流 部分相干光 光强