畸变光束的焦斑质心位置

 为分析振幅和相位发生畸变情况下光束焦斑质心位置所受的影响，以光波标量衍射理论中的夫琅和费衍射公式为基础，根据光斑强度分布一阶矩质心位置的定义，推导了直接依赖于光束近场复振幅分布的焦斑质心位置的一般表达式。进一步推导了焦斑质心位置对光束近场强度分布和相位斜率分布的依赖关系式，并对该式清晰的物理意义进行了阐述。利用焦斑质心位置表达式，可分析和确定由于振幅调制和相位畸变导致的质心位置偏移。最后，对无相位畸变和存在低阶泽尼克相位畸变情况下的简单畸变光束进行了相应的分析讨论。     

介质平面波导TE0模衍射场的光束参量

对于傍轴光束，提出了介质平面波导衍射场的近场模场半宽度、远场发散角半宽度和光束传输因子M^2等光束参量之间满足简单的关系式，三个光束参量均可直接由波导模式场分布精确计算，或由可实际精确测量的远场衍射频谱分布精确计算。M^2因子的计算公式可表述为以二阶矩和微分算子定义的近场模场半宽度的比值，或以二阶矩和微分算子定义的远场发散角半宽度的比值。最后推导出介质平面波导TE0模衍射场光束参量的解析函数和光束参量的范围。     

有振幅调制和相位畸变光束的远场光谱移动与光谱开关

基于瑞利衍射公式,研究了被光阑衍射的具有振幅调制和相位畸变光束的远场光谱变化规律。结果表明,有振幅调制和相位畸变光束在远场也会出现光谱异变现象和光谱开关效应,光阑截断参数、光束的相位畸变参数、振幅调制参数、光强调制参数对远场光谱的跃迁量和光谱开关产生影响。通过数值计算结果分析讨论了光阑截断参数及光束各参数影响远场光谱的规律。     

非傍轴矢量光束二阶矩的发散特性

基于非傍轴矢量光束横截面上光强的精确表示和矢量二阶矩理论,应用严格的角谱表示的矢量衍射理论,对任意非傍轴矢量衍射光束的传输进行了系统的研究.给出了光束的束宽、横向发散角的积分表达式,论证了非傍轴矢量光束二阶矩的发散特性.对非傍轴矢量光束的束宽、发散角的定义及一些相关的问题进行了分析和讨论. 关键词： 矢量衍射理论 光束传输 矢量二阶矩 发散特性     

激光束受限衍射对扫描系统分辨本领的影响

基于菲涅耳衍射积分公式推导出激光束经扫描元件衍射后场分布表达式,数值分析了激光束经扫描元件后衍射场振幅分布、激光束在扫描面上的光斑半径和激光扫描系统光学分辨本领的大小.结果表明,改变入射光束的束腰半径对激光扫描系统线分辨率、可分辨光点数和分辨容积产生不同的衍射影响.采用近似和拟合方法,分段给出不同衍射情况下激光扫描系统的线分辨率的函数表达式,并通过误差分析证明了近似和拟合函数表达式的精确性.     

涡旋光束与相位全息光栅不对准时的衍射特性研究

研究了涡旋光束与相位全息光栅不对准时衍射光束的解析特性.利用理论推导的方法得出涡旋光束经相位全息光栅接收后一阶衍射光束的解析表达式.然后通过仿真分析分别得出在发生正常对准、横向偏移、角向倾斜及横向偏移和角向倾斜两者同时出现时衍射光束的质心偏移特性和中心强度变化特性.研究表明: 拉盖尔-高斯光束经相位全息光栅衍射后得到的光场表达式为合流超几何函数形式.光束与相位全息光栅间的不对准会引起衍射光束质心的偏移,而且光束质心的偏移量随入射光束偏移距离和偏离角的增加而增加,与入射光束的偏移方向和方位角无关.角向倾斜时 关键词： 拉盖尔-高斯光束 相位全息光栅 横向偏移 角向倾斜     

广义超几何光束在ABCD光学系统中的传播

新型特殊模式激光柬的传播是激光应用研究的基础和重要课题.利用柯林(Collins)积分公式研究了广义超几何光束在ABCD近轴光学系统中的传播行为,得到了光束在输出平面复振幅的解析表达式.结果表明,其传播后的复振幅分布与库默尔(Kummer)函数成正比.通过将Kummer函数展开成级数,获得了光束在输出平面复振幅的模的级数形式,从该级数町以看出,广义超几何光束在ABCD近轴光学系统中传播时的模式结构一般是要发生变化的.作为特殊光学系统,讨论了自由空间传播时近场和远场衍射近似表达式,它们均为一系列同心圆环,空间频率随径向坐标增加而增加,近场衍射时横向模式结构保持不变,而远场衍射时则发生变化.给出了光束的归一化系数,分析了该光束一些简化模式与高斯光束的关系.     

有振幅调制和相位畸变光束通过硬边光阑的M2因子

光束传输M^2因子是表征激光束的有用参量。利用矩形函数的复高斯函数的近似展开方法,给出部分相干光通过硬边光阑后强度二阶矩的近似计算公式,由此可得到部分相干光通过硬边光阑后的推广M^2因子。以有振幅调制和相位畸变光束为例,推导出相应的推广M^2因子的解析表达式,通过数值计算对提出的近似算法的计算精度进行了分析。研究结果表明,使用该近似方法计算得到的推广M^2因子的计算误差小于1％,且通过该方法可直接得到相应的近似解析计算公式,从而使计算得以简化,并有效地提高了计算效率。     

高斯-谢尔模型列阵光束的远场发散角和远场辐射强度

推导出了高斯-谢尔模型（GSM）列阵光束通过自由空间传输其二阶矩束宽、远场发散角和远场辐射强度的解析表达式,并给出了GSM列阵光束与高斯光束具有相同远场发散角的条件.研究表明,具有相同远场发散角的GSM列阵光束与对应的高斯光束并不具有相同的远场辐射强度分布,这一特性与单束GSM光束的差异很大. 关键词： 高斯-谢尔模型列阵光束 远场发散角 远场辐射强度     

高能激光环形光束近场和远场传输特性

为满足高能激光环形光束在近场区和远场区的实际应用需求,从电磁波衍射积分方程出发,推导了环形光束光场分布和远场光强分布表达式,并对光场分布和光强分布进行了分析,得到光强分布与高斯光束的有限孔径大小、中心遮拦比和传输距离的关系.引入大气湍流场景,采用相位屏法对环形光束在不同湍流强度下的大气传输进行了数值模拟和分析,研究了受大气湍流影响远场光斑畸变、光斑破碎、光束扩展和漂移等的增强现象.最后开展了环形光束近场区大气传输数值模拟和实验,结果表明:随着传输距离的增加,光斑中心光强越来越强,光斑逐渐趋于均匀,平均光强呈类高斯分布,近场区环形光束扩散和光斑畸变现象受大气湍流影响而增强.     

连续相位板面形特性对远场分布的影响

惯性约束聚变(ICF)系统打靶对焦斑的大小及能量分布均匀性都有明确的要求,在连续相位板设计过程中要同时兼顾这两个方面。研究了连续相位板的面形与远场焦斑光强均匀性间的关系,从理论上推导了元件表面调制深度与焦斑尺寸的关系,并进行了定量计算。结果表明,焦斑半径随连续相位板的面形调制深度线性增加。鉴于连续相位板具有的随机特性,比较了不同相位板远场特性的区别,研究了面形调制深度对其光强峰谷值和均方根值的影响,结果表明不同设计的连续相位板,远场特性有较大的不同。当面形调制深度在5~15个波长时,焦斑具有较低的光强峰谷值和均方根值,连续相位板具有较好的束匀滑效果。     

强聚焦条件下连续位相板散斑特性的矢量分析

连续位相板(CPP)经过透镜聚焦后,在焦平面上形成一个散斑场,散斑场的统计性质决定了CPP的束匀滑特性。当使用大数值孔径透镜聚焦后,傍轴近似不再成立,因此分析CPP焦斑特性时标量衍射理论不再适用。采用Richard-Wolf矢量衍射理论对强聚焦条件下的CPP焦斑进行了计算,在此基础上分析了矢量焦斑场的统计特性,讨论了焦斑的轮廓。结果表明,由于非近轴的原因,矢量分析得到的焦斑尺寸略大,且通过矢量分析后能够得到z轴方向的光场分量。散斑场的振幅分布满足瑞利分布特性,强度分布满足负指数分布特性,且矢量合成方向的光强分布会略微偏离负指数分布特性。     

大口径超薄镜面对畸变波前的补偿

针对低频波前对光束质量的影响,优化设计了一个口径为300mm、半径与厚度比为20的薄型光学镜面,被用来对低频随机畸变波前进行补偿,并详细分析了补偿前后的光束质量变化。结果表明:无论是低频随机相位空间尺度参数变化,还是低频相位振幅参数发生改变,低频畸变经过补偿后,畸变波前明显变小,相位梯度在整个空间周期内都降低,远场强度的峰值增加,能量更集中,且能量集中度最高提高约50%。     

Diffraction of a modulated laser beam in 3ω optics system

Based on diffraction optical theory, diffraction of a laser beam with periodic amplitude modulation and phase distortion is derived in 3ω optics system. Influence of defocus distance and focal length of a focusing lens on intensity distribution of diffraction light is investigated by numerical simulation. The results show that appropriate distance away from the focus spot and increase the focal length in final optical systems are beneficial to control the modulation of light intensity fluctuations and reduce the optical components damage caused by small-scale self-focusing effect.     

受激旋转喇曼散射效应对强紫外激光聚焦特性的影响

采用Maxwell-Bloch-Langevin 方程,建立了强紫外激光在空气传输中的瞬态受激旋转喇曼散射（SRRS）效应模型；利用相位均方根（RMS）梯度描述的随机相位屏表示低频相位畸变,用扰动幅度表征的随机相位屏描述中、高频相位畸变,建立了相位畸变模型.讨论了强紫外激光在空气长程传输中所产生的受激旋转喇曼散射（SRRS）效应对其聚焦光斑形态的变化,定量分析了焦斑半径随入射强紫外激光的空间相位畸变及传输距离的变化.研究结果表明：当传输距离超过阈值条件时,焦斑半径随传输距离的增大而明显增大,且相位畸变越大,焦斑半径也越大.     

基于焦斑空间频率全域优化的偏振匀滑设计

偏振匀滑是利用光束偏振特性降低焦斑对比度的一种技术,它最大可降低焦斑对比度为原来的1/√2. 焦斑的频谱分析显示,传统楔形晶体的偏振匀滑对焦斑对比度的改善只集中在某些特定的空间频率,本文因此提出了一种可全域降低焦斑空间频率的偏振匀滑方法,它采用单轴晶体对入射光的角度不同而产生的相移不同的方法,实现激光两种正交偏振态在靶点的分离. 理论分析和数值模拟表明,新方法可以实现焦斑空间频率中高频段的全频域降低,焦斑对比度也可同时达到1/√2的最大程度的改善. 分析了连续相位板作为新方法引入激光入射角分布不同的条件,确定了刻蚀连续相位板面形的晶体同时实现焦斑整形和偏振匀滑的边界条件. 关键词： 偏振匀滑 焦斑功率谱 响应函数 焦斑整形     

半导体激光器远轴光束的准直特性研究

对半导体激光器光束准直场的研究具有重要的意义,半导体激光器的远轴模型能精确描述其发出的光束。根据瑞利索末菲衍射公式,利用稳相法得出了半导体激光器远轴光束经过透镜准直后的场分布解析表达式。根据该表达式可以得出如下结论:准直后光束在两个方向上的光斑大小与透镜焦距成正比,且与传输距离无关,沿轴光强与波导尺寸参量和准直透镜焦距有关,且与透镜焦距成平方反比关系,在传输距离较短的情况下,准直光场相位分布近似为球面,传输距离较长时,光场相位近似为平面.这些结论在工程应用中具有重要的价值。     

Wavefront sensorless adaptive optics for large aberrations

In some adaptive optics systems the aberration is determined not by using a wavefront sensor but by sequential optimization of the adaptive correction element. Efficient schemes for the control of such systems are essential if they are to be effective. A scheme is introduced that permits the efficient measurement of large amplitude wavefront aberrations that are represented by an appropriate series of modes. This scheme uses an optimization metric based on the root-mean-square spot radius (or focal spot second moment) and an aberration expansion using polynomials suited to the representation of lateral aberrations. Experimental correction of N aberration modes is demonstrated with a minimum of N+1 photodetector measurements. The geometrical optics basis means that the scheme can be extended to arbitrarily large aberrations.