高功率超高斯光束传输的非线性补偿研究

 分析了高功率超高斯光束在非线性介质中传播的基本理论，用分步傅里叶变换方法计算了10阶超高斯光束在非线性介质内的传输过程，最后采用具有负折射率系数的非线性介质作为补偿材料，对不同的补偿方式进行了对比分析。研究表明，四种补偿方式均可以大大减小光束的B积分，有效防止超高斯光束边缘的非线性增长，降低光束的小尺度自聚焦，同时选用后补偿作为最佳补偿方式。     

Kerr非线性介质中聚焦像散高斯光束的传输特性

当高功率激光通过Kerr非线性介质传输时,Kerr效应会严重影响激光的传输特性.实际应用中常遇到像散光束.迄今为止,像散光束传输特性的研究大都局限于在线性介质中的传输,而在非线性介质中传输的研究较少,且还未涉及像散激光束通过含光学系统的Kerr非线性介质传输变换的研究.本文主要研究Kerr效应对聚焦光束像散特性和焦移特性的影响,以及聚焦像散高斯光束的自聚焦焦距和光束焦点调控.在光束扩展情况下,推导出了聚焦像散高斯光束在Kerr非线性介质中传输的束宽、束腰位置和焦移的解析公式,研究表明:在自聚焦介质中,随着自聚焦作用增强(如光束功率增强),光束像散越强,但焦移越小;在自散焦介质中,随着自散焦作用增强(如光束功率增强),光束像散越弱,但焦移越大.另一方面,在光束自聚焦情况下,推导出了自聚焦焦距的解析公式,研究表明利用光束像散可以调控光束焦点个数.     

克尔效应对高斯光束聚焦特性的影响

利用菲涅尔—基尔霍夫衍射积分公式,研究薄片近似情况下的Kerr效应带来的波前畸变对高斯光束聚焦特性的影响.在相位延迟为－2~2 rad的范围内进行的模拟计算表明：正Kerr效应能提高高斯光束的聚焦强度、增大相对焦移量、提高聚焦光束的焦平面桶中功率和降低几何焦平面的峰值光强;而负Kerr效应,则会降低聚焦强度、增大相对焦移量、降低聚焦光束的焦平面桶中功率和几何焦平面的峰值光强.可以通过增大光束菲涅尔数来抑制Kerr效应对聚焦特性的影响.     

亚强非局域介质中的超高斯空间光孤子族研究

研究了亚强非局域介质中超高斯光束的传播特性.运用变分法,对任意实对称响应函数泰勒级数展开取至四阶,得到了1+1维亚强非局域非线性介质中光束传输的超高斯光束的近似分析解.分析结果表明：束宽解是椭圆雅可比双周期函数,相移、空间啁啾以及临界输入功率都正比于超高斯光束的阶数.提出了超高斯空间光孤子族模型和准方波形空间光孤子的实现可能性.     

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。     

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。     

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。     

大气中超高斯和高斯涡旋光束传输特性比较

为比较两种不同类型涡旋光束在大气湍流中的传输特性,利用菲涅耳衍射积分公式,推导了涡旋光束在湍流大气中的传输表达式。采用随机相位屏法建立了涡旋光束在大气湍流中的传输模型,计算了不同参数下涡旋光束的强度分布以及光束质量。结果表明:传输距离、拓扑荷数和湍流强度都会对涡旋光束光束质量产生影响。其中,传输距离对超高斯涡旋光束的光束质量的影响更大,而拓扑荷数则对高斯涡旋光束的光束质量的影响更明显。     

应用于ICF等离子体诊断系统的长焦深光学元件设计

 针对惯性约束聚变激光等离子体诊断系统的特殊需求，提出采用对数型轴锥镜来实现长焦深功能，并采用超高斯边缘匀滑、中心切趾及选择合适的器件参数等方法优化了长焦深器件的性能。模拟实验证明，为了得到满足要求的长焦深、小焦斑、小旁瓣和均匀的轴上及横向光场分布的聚焦光束，对数型轴锥镜的焦深应为3~5 mm；元件中心须采用切趾，而且切趾半径应为15~60 mm；元件边缘宜采用5阶超高斯匀滑。设计出焦深长达3 mm、轴上光强均匀、旁瓣峰值小于中心强度的2%且横向光斑较均匀的长焦深器件，可以满足激光等离子体诊断的要求，并用菲涅耳衍射积分对该元件光场的模拟实验验证了该方法的可行性。     

超高斯光束截割对多级电离产额的影响

针对光强为超高斯分布的激光束被圆孔截割的情况计算了聚焦区的光强度分布,给出了依赖于激光强度的理论电离体积,并由此研究多光子电离过程中多级电离的电离产额对激光强度的相关性.作为例子,计算了焦点处1013—1016Wcm-2强度范围内Xe的多级电离产额.结果表明:随着超高斯光束截割的增加,电离产额在饱和区呈现出明显的起伏和抑制效应.当超高斯光束的阶数n增加到一定程度(如n>2)或对大的截割条件(ρa=1),电离产额曲线的形状对n的依赖性将变得“迟钝”.计算给出的电离产额曲线上的这种起伏和抑制有可能用于解释已经 关键词： 超高斯光束 截割 多级电离     

基于光克尔效应的径向光束匀滑新方案

针对惯性约束聚变装置中提高靶面辐照均匀性的要求, 提出了一种基于光克尔效应的径向光束匀滑方案, 其基本原理是利用光克尔介质和周期性高斯脉冲光束相互作用实现对激光束透射波前附加周期性的球面位相调制, 以周期性地改变激光束远场焦斑尺寸, 进而引起远场焦斑内部散斑的快速径向扫动, 从而在积分时间内抹平靶面焦斑的强度调制, 实现径向方向的光束匀滑. 通过建立基于光克尔效应的径向光束匀滑的理论模型, 分析了焦斑形态及其径向匀滑特性, 并讨论了光克尔介质的选取和径向扫动特性. 结果表明, 基于光克尔效应的径向光束匀滑方案可以有效地实现远场焦斑内部散斑的周期性径向扫动, 从而在积分时间内快速改善靶面辐照均匀性.     

风对光束控制系统内热效应的抑制作用

 用光强沿x轴方向呈线性变化的方形环状光束模拟高功率激光，利用自编四维仿真程序对高功率激光在光束控制系统中的传输作了详细的数值计算研究。结果表明：热效应使远场光束的峰值光强和可聚焦能力下降。入射光强的非均匀分布进一步降低峰值光强和可聚焦能力，导致远场光束重心和峰值光强位置移动，并产生像散。光束的非均匀程度越高，远场光束质量越差。横向风和轴向风对热效应均有抑制作用。然而，轴向风不会引起远场光束重心偏移和像散，但是轴向风比横向风建立稳态所用时间更长。     

Enhancement of Axial Trapping Force in a Single-beam Gradient Optical Trap by a Pair of Axicons

1　Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　　ＴｈｅｆｉｒｓｔｗｏｒｋｗｉｔｈｏｐｔｉｃａｌｔｒａｐｐｉｎｇｏｎｓｍａｌｌｐａｒｔｉｃｌｅｓｗｅｒｅｄｏｎｅｂｙＡｓｈｋｉｎｅｔａｌ.ｉｎ1 985ａｎｄ 1 986 [1,2 ] ,Ｗｈｏｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｄｔｈａｔｍｉｃｒｏｓｃｏｐｉｃｐａｒｔｉｃｌｅｓｃｏｕｌｄｂｅｔｒａｐｐｅｄｂｙａｓｉｎｇｌｅｆｏｃｕｓｓｅｄｌａｓｅｒｂｅａｍ .Ａｎｕｍｂｅｒｏｆｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｏｎｓｏｆｔｒａｐｐｉｎｇａｎｄｍａｎｉｐｕｌａｔｉｏｎｏｆｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ…     

Evolution of the hot image effect in high-power laser system with cascaded Kerr medium

Based on the diffraction theory model for hot image formation, the evolution of the hot image effect in a high-power laser system structured by cascaded Kerr medium with gain and loss is numerically investigated. For a sample simulation system with five pieces of Kerr medium plates arrayed in parallel, the dependences of the peak intensity and the location of the hot image on different parameters of the scatterer and the system are analyzed. It is shown that the possible damage spots caused by the beam peak intensity would be repetitious in the laser system with cascaded medium. Arranging the Kerr medium plates and the downstream optical components in a rational way (for instance increasing the interval between two adjacent medium plates, arranging the Kerr medium plates aperiodically or certain optical components properly) may be helpful to relax or avoid the optical damage caused by the hot image effect.     

多束超高斯激光相干合成的数值模拟

 建立了超高斯光束的相干叠加的数学模型，对比了光束间距为1 cm、超高斯阶数为12条件下25束高斯光束相干叠加与非相干叠加时的光强分布，发现相干合成的峰值光强为非相干叠加的峰值光强的近10倍，且光束质量也得到大大提高，有利于提高能量的利用率。分析了多种条件下相干合成的光强分布特性，结果表明：随机相位差小于十分之一波长时,相位差的变化对相干合成效果影响不大；当超高斯阶数大于10时对相干合成的峰值光强影响较小；随着相干发射阵列光束间距的增大，相干合成光强迅速减小，光束质量变差。得到了传输距离分别为10 m，100 m，1 km和5 km下的光强分布，表明合成的峰值光强随着传输距离的增加而由小变大，最后随着传输距离的进一步增大而衰减。最后得到了不同传输距离处的环围功率比。     

Lens axicon illuminated by polychromatic Gaussian beams for generating uniform focal segments

In this paper, we investigate a lens axicon, which actually is a lens with spherical aberration, illuminated by a polychromatic Gaussian beam for producing an extended axial line image of a desired length and nearly uniform intensity. A numerical calculation is performed to investigate the dependence of the axial intensity distribution of the focal segment on the parameters of the incident polychromatic Gaussian beam. It is shown that, compared with monochromatic Gaussian beam illumination, the illumination of the polychromatic Gaussian beam may improve the uniformity of the distribution of the axial intensity, and this improvement in the uniformity of the axis intensity is strongly dependent on the spectral width of the incident Gaussian beam. Moreover, apodization with annular super-Gaussian amplitude distribution is employed to reduce the undesired oscillation of the axial intensity.     

Theoretical analysis of hot-image effect in a high-power laser system with cascaded nonlinear medium

We present a universally applicable and quick method to forecast the intensity and location of the hot-image effects in a high-power laser system structured by cascaded Kerr medium plates. The analytical expressions for the locations and the peak intensity of the hot-images are deduced by using propagation matrix method. The results are useful for laser designers to estimate and minimize the threat of optical damage. Theoretical analysis demonstrates that a maximum of N hot-images may appear in a laser system structured by N cascaded Kerr medium plates and the distance between two adjacent hot-images is two times the interval between two adjacent Kerr medium plates. The number and locations of the hot-images are related with the number of the Kerr medium plates, the distance from the scatterer to the front of the first Kerr medium plate, and the interval between two adjacent Kerr medium plates. The peak intensity of the hot-images depends on the number of the Kerr medium plates, the B-integral of each Kerr medium plate, the amplitude and phase modulation coefficients of the scatterer and the peak intensity of the input beam. The hot-image effects in a laser system with cascaded Kerr medium plates from two to eight are discussed in detail and numerically analyzed. Numerical simulation results are in agreement with the theoretical results.     

用于超快束匀滑的动态波前调控新方案

提出了利用光克尔效应实现激光束波前动态调控,进而实现焦斑超快束匀滑(ps量级)的方案,其原理是利用抽运光动态改变光克尔介质的折射率分布,以对透射主激光束附加时空耦合的动态波前,进而使激光束在靶面的焦斑散斑产生更加快速、多样的变化,最终实现焦斑的超快束匀滑.当抽运光时间波形为高斯脉冲序列,且以小角度倾斜入射至光克尔介质时,由于抽运光和光克尔介质对主激光附加随时间横向移动的周期性球面相位,且球面相位的幅值随时间不断变化,因而可以同步实现激光束焦面散斑的横向和径向超快速扫动,从而更为有效地改善靶面辐照均匀性.     

Airy光束在Kerr介质中的传输特性

通过对非线性薛定谔方程的研究,得出Airy光束在Kerr介质中的崩塌功率及有效束宽演化的解析表达式。经过数值计算发现,Airy光束在聚焦的Kerr介质中,其主瓣在开始传播时始终是会聚的;当输入功率小于临界崩塌功率时,Airy光束主瓣的中心部分出现局部崩塌。在不同的Kerr介质中, Airy光束的形状和传输轨道均能保持不变,如同在自由空间中传播,但光场大小的分布,随着不同的Kerr介质会发生改变:在Kerr的聚焦介质中,光场向中心聚焦;而在散焦的Kerr介质中,光场会发散。     

Radiation force exerted on nanometer size non-resonant Kerr particle by a tightly focused Gaussian beam

We calculate the radiation force that is exerted by a focused continuous-wave Gaussian beam of wavelength λ on a non-absorbing nonlinear particle of radius a ? 50λ/π. The refractive index of the mechanically-rigid particle is proportional to the incident intensity according to the electro-optic Kerr effect. The force consists of two components representing the contributions of the electromagnetic field gradient and the light scattered by the Kerr particle. The focused intensity distribution is determined using expressions for the six electromagnetic components that are corrected to the fifth order in the numerical aperture (NA) of the focusing objective lens. We found that for particles with a < λ/21.28, the trapping force is dominated by the gradient force and the axial trapping force is symmetric about the geometrical focus. The two contributions are comparable with larger particles and the axial trapping force becomes asymmetric with its zero location displaced away from the focus and towards the beam propagation direction. We study the trapping force behavior versus incident beam power, NA, λ, and relative refractive index between the surrounding liquid and the particle. We also examine the confinement of a Kerr particle that exhibits Brownian motion in a focused beam. Numerical results show that the Kerr effect increases the trapping force strength and significantly improves the confinement of Brownian particles.