多艾里光束合成自聚焦光束的实验实现

多光束合成和单光束聚焦一直是提高激光束功率和功率密度的两个重要方法. 结合艾里光束在自由空间中沿弯曲路径传播的特性, 从数值模拟和实验两个方面, 研究了利用多个一维艾里光束合成自由空间自聚焦光束的方法, 并对所得到的模拟和实验结果进行了对比. 采用分步束传播法, 分别模拟了由四个和八个一维艾里光束合成的自聚焦光束在自由空间中的传播过程, 给出了自聚焦光束在传播过程中横向和纵向的光强分布和变化趋势. 采用计算全息和空间光调制器技术实验, 实现了多个一维艾里光束合成的自聚焦光束. 实验中分别测量了四个和八个一维艾里光束合成的自聚焦光束的横向光强分布. 实验结果和理论结果符合得较好. 另外, 为了进一步增大自聚焦光束的功率, 可以增加参与合成的一维艾里光束的数量. 同时, 自聚焦光束的焦距可以通过调整各个一维艾里光束的相对位置进行调节.     

高功率激光光束经颗粒污染后的近场衍射效应

采用高功率激光驱动器设计软件Laser designer数值研究了激光光束经颗粒污染后的近场衍射特性. 对颗粒污染所产生的调制进行了分类, 并详细分析了真空和石英玻璃中, 振幅调制型和位相调制型颗粒污染对光束近场的影响. 研究结果表明, 无论在真空或石英玻璃中, 位相型颗粒污染对高功率激光光束的近场调制影响较大. 且在石英玻璃中, 位相型硬边颗粒污染所引起的高功率激光光束小尺度自聚焦热像调制现象相当严重. 而由颗粒污染引起光束强区的横向偏移, 却在一定程度对小尺度自聚焦有抑制作用.     

自聚焦激光束光束质量评价的功率谱密度方法

在高功率激光系统中，介质的非线性折射率引起的小尺度自聚焦效应将会带来对光束相位和强度分布的影响，增加光学元件遭受成丝破坏的风险。产生光束小尺度纹波调制的机制分为两类：振幅和位相调制。振幅调制引起的光束自聚焦是造成介质损伤的主要因素。根据小信号的Bespalov-Talanov理论，只有特定空间频率(或称为模式)的调制具有最快的增长速度，其增长幅度可以用B积分参数来描述。目前，有关光束的自聚焦成丝已经引起了激光器研制人员的重视。     

有限能量Airy光束的小尺度自聚焦特性

研究了有限能量Airy光束在克尔介质中的非线性传输过程及整体自聚焦(特别是小尺度自聚焦)特性.研究发现相对于整体自聚焦,有限能量Airy光束主峰的小尺度自聚焦更容易发生,而且其噪音调制的增长速度随着截断系数的增加而变慢.通过对比研究不同截断系数小尺度自聚焦的增益谱,发现截断系数也极大地影响有限能量Airy光束的增益谱,截断系数越小Airy光束受噪音影响分裂的可能性就越大;对于较大的截断系数,有限能量Airy光束增益谱和由它主瓣拟合的高斯光束的增益谱越来越接近.研究结果对于有限能量Airy光束的潜在应用有一定的指导作用.     

无衍射光束的产生及其应用

近年来,随着激光技术的快速发展,相继产生了多种在远距离传输后中心光斑保持不变的无衍射光束,包括贝塞尔光束、高阶贝塞尔光束、马丢光束、高阶马丢光束、余弦光束、抛物线光束以及艾里光束.无衍射光束在激光打孔、激光精密准直、光学精密控制、光学微操控、光通信、等离子体导向、光子弹产生、光通信、自聚焦光束的合成以及非线性光学等领域中有着广泛的应用.本文介绍了各类无衍射光束的数学表达式、产生方法及对应的实验结果;就无衍射光束的特性和应用进行了归纳和讨论;并对其在未来的研究与应用前景中发挥的重要作用进行了简要总结与展望.     

对称艾里涡旋光束的传播特性

提出了一种对称艾里涡旋光束.在对称立方相位的基础上引入螺旋相位因子形成新的相位图,加载该相位的高斯光束经傅里叶变换后产生对称艾里涡旋光束.研究表明:对称艾里涡旋光束出现自聚焦现象,且由于轴上涡旋的存在,其中心呈现中空现象,涡旋结构携带的轨道角动量使光束在初始平面处发生旋转,拓扑荷数越大,中空结构越大,旋转角度也越大,而拓扑荷数的正负仅改变光束的旋向.理论分析表明,离轴涡旋在初始平面处,因与光轴中心距离较远,并不会影响对称艾里光束主瓣的能量,即中心并无光强为零区域,但随着传播距离的增加,离轴涡旋逐渐出现在对称艾里光束其中的一个主瓣上.此外,对称艾里光束还可以加载多个离轴涡旋,能同时无损伤地捕获多个微粒.该光束不仅具有自聚焦特性,并且其中心呈中空结构,同时还携带轨道角动量,在光学微操纵与生物医学等方面有潜在应用.     

梯度折射率介质中高斯光束的非线性传输特性

 利用无像差自聚焦理论研究了梯度折射率非线性Kerr介质中高斯光束的传输特性,得到了高斯光束光斑半径和波面曲率半径的表达式。解析结果清楚地表明了衍射、自聚焦以及梯度折射率效应之间的竞争对高斯光束传输行为的影响。梯度折射率效应使光束自聚焦的距离缩短。     

宽频带光束非线性热像效应的实验研究

实验研究宽频带脉冲光束通过非线性介质时的非线性热像的形成过程,揭示了光束入射功率和脉冲宽度、介质厚度等因素对热像光强和位置的影响. 结果表明,与单纵模激光束一样,在宽频带脉冲光束情形下,非线性介质上游元件的模糊斑调制也可导致在下游共轭位置形成热像. 热像光强随入射光束功率的增加而增加;若脉冲能量一定,则热像光强随脉冲宽度的增加而减弱;若脉冲峰值功率一定,则热像光强随脉冲宽度的增加而增强. 关键词： 高功率激光 热像 宽带光束 小尺度自聚焦     

利用运动光束抑制高功率激光小尺度自聚焦

提出了近场“运动光束”的概念.指出光谱色散匀滑装置可以在近场产生运动光束,理论分析了运动光束的产生机理、条件、运动特性以及对小尺度自聚焦的抑制作用.通过数值模拟,得到计算结果与理论分析一致. 关键词： 运动光束 光谱色散匀滑 小尺度自聚焦 惯性约束聚变     

基于修正大气谱的湍流相位屏高精度生成方法

为了更准确地反映湍流的实际特征,在光波的大气传输模拟中应采用修正大气折射率谱模型.本文针对该谱模型提出了一种高精度湍流相位屏生成方法.通过改变模型在低频区的采样设置,实现了基于修正大气谱的湍流相位屏高精度生成.通过与原始FFT法、次谐波法以及改进前的优化方法相比发现,本文提出的改进后的优化方法能将相位屏低频区域的最大相对误差从改进前的6.75%减小到1%,作为比较,原始FFT法在低频区的最大相对误差为22.99%,次谐波法为16.81%.利用该方法所生成的相位屏对高斯光束在湍流中的传输进行了模拟并对光束扩展和光束漂移等二阶统计特性进行了估计.结果表明,在弱扰动条件下,模拟结果和理论预测的结果是一致的;在强扰动条件下,随着距离的增加,模拟结果与理论结果偏差越来越大,其中光束扩展与理论预测的偏差最大可达6cm,而光束漂移可达1cm,这是由于理论模型无法预测漂移饱和现象而导致的.在与Von-Karman谱的模拟结果比较时发现,修正大气谱估计的光束扩展大于Von-Karman谱的估计且在光束漂移的预测中比Von-Karman谱更快的达到饱和,这正是修正大气谱高波数处存在"凸起"的结果.本文提出的方法生成的相位屏能够有效的表征实际大气的折射率扰动特性.     

平顶光束经表面有缺陷的厚非线性介质后的光强分布

基于非线性薛定谔方程和分步傅里叶算法, 研究了高功率平顶高斯光束经过厚非线性介质后在自由空间传输的光强演变过程, 详细分析了介质表面缺陷对光强演化规律的影响.研究结果表明, 平顶阶数越大, 光束的自聚焦效果越差, 最大光强点越靠近介质后表面.入射光束的初始场强越强, 介质的厚度和非线性系数越大, 光束的自聚焦越强, 且极值点越靠近介质后表面.介质表面的缺陷使得光束在靠近介质后表面有较大的光强. 并且相位调制型缺陷比振幅调制型缺陷对光强的影响更大. 关键词： 平顶光束 自聚焦 缺陷 光强分布     

方波调制时的光热光束偏转理论

本文叙述了加热光束光强以方波调制时的光热光束偏转理论,讨论了偏转信号值与加热光功率、光斑半径,两光点的相对位置及调制频率等的关系并与实验结果比较,其结果是定性一致的.     

LiNbO3:Fe晶体中调制双光束耦合衍射效率的测定

通过对LiNbO₃:Fe晶体中双光束耦合中的任一束光强进行低频调制,其衍射效率比无调制时提高两倍多(由30％提高到76％)。用运动光栅理论解释了这一实验结果。 关键词：     

克尔介质中超连续谱的产生与自聚焦的抑制

 从（3+1）维非线性薛定谔方程出发，理论上分析了超短脉冲频谱展宽与自聚焦的影响因素。分析得出：通过改变泵浦光的功率和光束口径，可以实现光谱的极大展宽并避免自聚焦成丝。数值模拟了小口径强泵浦光束在BK7玻璃中的传输过程并进行了实验验证。模拟结果显示在超连续谱产生的同时小尺度调制被完全抑制。实验结果表明：降低泵浦光功率，使光束不会因为全光束自聚焦而发生塌陷，同时还能控制除自聚焦外的其它非线性效应，进而改善近场光束质量。由于自相位调制是超短超强脉冲产生超连续谱的重要机制之一，需要维持传输过程中的泵浦光功率，由此最佳的入射光功率应选在全光束自聚焦功率阈值附近。     

涡旋光束在反射中的正交偏振特性研究

本文从角谱理论出发建立了涡旋光束在空气-玻璃界面反射时的傍轴传输模型, 并研究了反射过程中诱导产生的正交偏振效应. 当一水平偏振涡旋光束以不同角度入射时, 反射光束的正交偏振分量呈现出类似于一阶厄米-高斯模式的双峰强度分布, 而水平偏振分量强度分布呈现与入射光束相似的分布, 且只在布儒斯特角附近入射时才现出与正交偏振分量垂直的双峰分布. 对于任意线偏振入射光, 其正交偏振分量的偏振方向不再垂直于入射时的偏振方向, 而是与反射光束的中心波矢垂直, 此时正交偏振分量出现有趣的旋转特性, 其物理原因归结于任意线偏振光入射时所对应的水平与垂直偏振分量的反射系数不同. 最后进行了相关实验验证, 发现实验结果与理论分析符合得较好. 关键词： 正交偏振 涡旋光束 任意线偏振     

自聚焦激光束光束质量评价的功率谱密度方法

把功率谱密度分析的方法引入到激光束光束质量的评价中，分析了自聚焦激光束的近场分布，研究了强激光非线性自聚焦的一般规律，给出了在一定强度调制下的光束经过钕玻璃介质发生自聚焦成丝效应的B积分阈值条件，实验和理论模拟结果基本一致.     

高斯光束通过非线性介质后的远场衍射图样的研究

 利用菲涅尔－基尔霍夫衍射积分公式，对发散和会聚高斯光束通过薄非线性介质时形成的远场衍射图样进行了研究。模拟计算结果表明：当发散高斯光束通过自散焦介质或会聚高斯光束通过自聚焦介质时，远场均会出现中央较暗、向外围逐渐增强、分布尺度较大的粗衍射环；当发散高斯光束通过自聚焦介质或会聚高斯光束通过自散焦介质时，远场均会出现中心强度最大、向外围逐渐减弱、分布尺度较小的细衍射环。不同远场衍射图样归根结底是入射高斯光束因介质折射率变化造成的空间自相位调制及其波前曲率共同作用的结果。     

自加速类贝塞尔-厄米-高斯光束的理论和实验研究

空间相位调制一直是设计新型自加速光束的重要方法.参照类贝塞尔光束产生的思路,从理论上提出了一种新型的自加速无衍射类贝塞尔-厄米-高斯光束,并从数值模拟和实验两个方面研究此光束沿不同轨道的演化.理论上通过对厄米-高斯光束进行相位调制,产生了不同模式的自加速类贝塞尔-厄米-高斯光束.采用分步傅里叶算法模拟了(0,1),(1,0),(1,1)和(1,2)阶类贝塞尔-厄米-高斯光束沿预设轨道的传输过程.采用计算全息和空间光调制技术在实验中观察了类贝塞尔-厄米-高斯光束沿预设轨道的传输,例如抛物、双曲、双曲正割和三维轨道.实验观察与理论结果符合得很好.实验验证了不同阶类贝塞尔-厄米-高斯光束的奇特光斑结构,验证了光束的非衍射特性及传输轨道的可控性,且理论模拟验证了光束的自修复特性.作为此前研究的类贝塞尔光束的一般形式,本文所得到的光束可用于构造出更加新型实用的光束.     

一种新空心光束的理论及实验研究

提出了一种用来描述空心光束的新理论模型——空心高斯光束模型，通过控制光束参数可以方便地调制空心光束黑斑的大小.导出了空心高斯光束经傍轴光学系统的解析传输变换公式.利用导出的公式计算分析了空心高斯光束在自由空间的传输特性.在实验上利用矩阵本征值方法设计了能输出空心高斯光束的光学谐振腔，对实验上得到的空心高斯光束进行了传输特性的研究.结果表明，理论和实验相吻合.该空心高斯光束产生的光势阱为控制冷原子提供了一条新途径. 关键词： 空心高斯光束 光学谐振腔 传输特性     

强激光超高斯光束形成的自聚焦环的分裂与抑制

通过数值求解非线性近轴波方程,详细描述了在钕玻璃介质中传输的强激光圆对称超高斯光束形成的自聚焦环,并展示了初始光束受到扰动引起环分裂的现象。对于峰值光强一定的光束,合理地选择其阶数和宽度,可以降低自聚焦成环效应,从而降低因自聚焦环分裂在光束边缘出现的细光束对介质造成的成丝破坏。