光腔模式及光束传输的特征向量算法

发展了一种新颖的适用于光腔模式及光束传输模拟计算的特征向量法.该方法的核心是基于菲涅耳-基尔霍夫衍射积分理论构造了一种新的光腔传输矩阵,通过求解激光谐振腔的本征积分方程,即可一次求解得到表征腔镜上多个光场模式振幅及相位分布的特征向量组;而谐振腔内或腔外任意地方的光场分布,也可采用该方法进行光束传输模拟而求得.对与该方法有关的单元划分、形函数选取、误差及稳定性分析等问题进行了论述,分析表明:合适的单元划分和形函数选取有利于提高计算速度、精度和稳定性.     

利用特征向量法分析有源失调腔的2维模场

 利用一种用于光腔模式及光束传输模拟计算的特征向量法计算有源腔的2维失调,通过对谐振腔几何关系的求解,以及对增益进行薄层模型处理,最后利用特征向量法计算有源腔失调后的模式分布,发现失调造成了模式强度分布不均匀,并带来模式阶数的改变。计算了相应的光束质量因子,结果表明:在一定失调范围内,失调可能会带入新的模式竞争;谐振腔在一定范围的失调情况下,各阶模式的光束质量可能变好,也有可能变差,随着模式阶数的增加光束质量整体趋势是越来越差;原来简并的模式可能不再简并。该方法可以为计算失调后谐振腔的模场带来方便。     

有源腔模式的有限元数值矩阵计算法

提出了一种计算有源腔模式分布的有限元数值矩阵方法。对腔镜进行基于菲涅耳–基尔霍夫衍射积分定理的有限元划分,利用MATLAB计算出光一次往返的传输矩阵。然后根据自再现理论,求出矩阵的特征值和特征向量。从而确定谐振腔的模式分布,给新型谐振腔的研究带来极大方便。     

孔径光阑输出对太赫兹激光器模式特性的影响

孔径光阑耦合技术是大功率光泵气体太赫兹激光器的一种常用谐振腔设计方法。在不考虑波导对腔内模式形成的影响下,采用传输矩阵的特征向量法,针对孔径光阑耦合太赫兹谐振腔的腔内本征模式以及输出光束特性进行了数值模拟,得到了该种谐振腔在不同g参数下损耗最低的几种本征模式及其相应的衍射损耗;采用衍射积分与矩阵光学结合的方法计算了孔径光阑输出太赫兹激光的光束特性,得到不同本征模式的远场衍射光斑及发散角。研究工作为孔径光阑耦合的气体太赫兹激光器设计提供了理论参考。     

后向反射屋脊镜激光谐振腔的模

本文解了一个自调和积分方程,它用于计算倾斜屋脊镜谐振腔中谐振模的场分布.屋脊方向的场分布用厄米特—高斯函数叙述.求出了后向反射屋脊的光束矩阵,并提出了一种不需要精密校准的新型谐振腔.     

圆形高斯镜平凹腔腔镜倾斜时光场模式分析

运用边界元素法把圆形高斯镜平凹腔的自再现模的衍射积分方程转化为有限阶矩阵方程。计算了谐振腔在理想情况和高斯反射率平面输出镜倾斜情况下基模的场强分布、相位分布和本征值。研究表明,腔镜倾斜使激光场模式分布沿发生倾斜的方向向镜边缘偏移,而且在腔镜倾斜较严重时模式分布发生畸变,不再是对称的拉盖尔-高斯基模分布。基模本征值随倾斜角增大而变小,光束远场分布变差。减小高斯分布反射率的膜斑半径,则能减弱因倾斜引起的模式畸变。     

高光束质量高斯非稳腔固体激光器研究

为了获得高光束质量的脉冲固体激光输出,研究了高斯非稳腔固体激光器的模式分布。运用边界有限元法将谐振腔内光场衍射积分方程转化成矩阵方程组,模拟分析了平凸高斯非稳腔内光阑位置、孔径大小以及高斯镜参数对输出光束模式的影响。基于理论模拟结果对激光器结构参数进行了优化,分别测量了腔内不同光阑位置和孔径下的激光器输出光束振幅及模式分布情况。在光阑半径为1 mm、光阑距高斯镜为150 mm、泵浦电压为900 V的实验条件下,光束质量M_x~2=1. 9、M_y~2=2. 3,激光最大输出能量为280 mJ的高光束质量激光输出。实验结果表明,在腔内加入选模光阑以及优化高斯镜参数可以进一步改善腔内模式分布,获得高光束质量激光输出,这与理论模拟结果基本相符。     

带圆锥透镜的非稳贝塞尔光学谐振腔

研究了由圆锥透镜和凸面镜组成的非稳贝塞尔光学谐振腔. 利用几何光学原理,讨论了非稳贝塞尔谐振腔中光线传输的ABCD矩阵和腔内光线实现自再现的条件.从波动光学角度出发,利用惠更斯-菲涅尔衍射积分方程导出了谐振腔两镜面处光场的迭代方程,并通过数值模拟得到了凸面镜曲率半径不同时零阶贝塞尔光束在输出镜面上的光强分布.     

基于积分方程的平面光波导模式场分析方法

通过傅里叶变换将波动方程转化为空间频域的积分方程,并采用Nystrm方法将积分方程转化成标准的矩阵特征问题.通过Lapack程序包求解矩阵的特征值和特征向量,同时得到平面介质光波导模式的色散关系和模式场.数值计算结果表明该方法适用于分析任何折射率分布的平面光波导模式场,使用阶数很小的矩阵就可以得到高准确度的结果.     

角锥棱镜谐振腔激光模式模拟研究

为了探究角锥棱镜谐振腔激光模式,以角锥-平面镜腔为例,将角锥棱镜等效为衍射光栅,考虑角锥镜棱宽在谐振腔中的衍射效应以及二面角误差引起的附加相位分布对谐振腔激光模式的影响,在光学谐振腔理论的基础上,建立了求解本征模式的理论分析模型.采用快速傅里叶法数值模拟不同腔长、角锥镜棱宽和二面角误差情况下该无源谐振腔激光输出模式分布情况.结果表明,在腔长30 cm、角锥镜棱宽小于75μm、二面角误差在-10′~5′之间时,可实现光斑完整的圆形分布输出模式,且有较好的光束质量;棱宽不小于0.4 mm,二面角误差在-40′~10′之间时,光斑为TEM 03阶横模,光场呈六瓣分布;当角锥镜棱宽为0.4 mm、二面角误差为3′,腔长从30~90 cm范围内增加时,该谐振腔输出的激光模式从TEM 03转换成TEM 10.     

Simulation of optical field in laser resonators cavity by eigenvector method

In this paper, an Eigenvector method (EM) for the calculation of optical resonator modes and beam propagation is introduced, in which the transit matrix of an optical resonator is obtained by dividing the mirror into finite grids based on the Fresnel–Kirchoff diffractive integral equation. Then, the eigenvectors, representing the multimode characteristics of the resonator, can be calculated by solving the integral matrix eigenequation. The merits of EM include that the considerably simpler procedure of solution of eigenvectors of the matrix eigenequation replaces the complicated iteration in traditional methods, and there is no dependence on the initial field distribution, and a number of modes can be derived once and the discrimination capability of the resonator can be evaluated easily. The examples using EM to simulate con-focal resonators with small or large Fresnel numbers are given, and the calculated results, well matched with Fox–Li method or Lagueree–Gaussian approximation analytical solution, prove that EM is highly feasible and reasonable.     

光泵气体THz激光器用CO2泵浦源腔内光场模式

CO2泵浦源是光泵气体太赫兹激光器的核心器件之一,其性能直接关系到太赫兹激光器的工作稳定性。CO2泵浦源一般由闪耀光栅作为全反射尾镜,构成特殊的光栅腔实现波长的选支输出。采用传输矩阵的特征向量法对光栅谐振腔的腔内光场模式进行了理论分析与数值模拟,计算了光栅腔的一系列本征模式及相应的衍射损耗。结果表明光栅腔的腔内模式特性等效于一个平凹腔,而对于大菲涅尔数的光栅腔, Littrow波长的附近支线也可能具有衍射损耗较低的低阶模,可能优先于Littrow波长的高阶模起振,导致光栅腔的波长选择性降低。     

Analysis of a right-angle conical reflector resonator by the transfer matrix method

A resonator with a right-angle conical reflector has been proposed to produce high-power CO₂ laser beams. To analyze eigenfields of the right-angle conical reflector resonator, this paper adopts and demonstrates the transfer matrix method. In this paper, the mode-fields and corresponding losses are described as eigenvectors and eigenvalues of a transfer matrix according to the self-reproducing principle of laser field. By solving the transfer matrix for eigenvectors and eigenvalues, we obtain field distributions and losses of the dominant eigenmodes. The calculation results reveal that the right-angle conical reflector resonator could be used for a high-power CO₂ laser to achieve low-order modes. However, the beam quality is reduced due to the residual blind-hole, which is in accord with the experimental result.     

激光非稳腔模式的快速计算方法

对Du Fort-Frankel差分格式用于谐振腔模式计算进行简要分析,以该差分格式为基础,提出基于移动矩阵法的非稳腔模式数值计算快速算法.对空腔共焦非稳腔模式进行数值模拟,将计算结果与参考文献进行对比,两者吻合较好.对有源共焦非稳谐振腔内增益区位置对谐振腔输出功率的影响进行数值计算,结果表明:对于采用共焦非稳腔的大功率激光器,当增益体积一定、小信号增益曲线相同时,随着谐振腔内增益区与凹面镜之间的距离的减小,激光器输出功率会有较为明显的提高.数值算例证明了本文方法的正确性和有效性.     

90°束转动环形非稳腔模场数值分析

用矩阵方法导出了ＵＲ９０（ｕｎｓｔａｂｌｅｒｉｎｇｒｅｓｏｎａｔｏｒｗｉｔｈ９００１６７ｂｅａｍｒｏｔａｔｉｏｎ）环形非稳腔的衍射积分方程，获得了腔的等价菲涅耳数Ｎｅｑ的关系公式，分析了反向模的抑制方法并给出反向模抑制镜的曲率半径，通过数值计算的方法阐明了腔模本征值与放大因子Ｍ的变化关系，当腔的放大因子Ｍ＝１．２时，得到了腔的模场分布曲线。     

Effective mass in quantum effects of radiation pressure

We study the quantum effects of radiation pressure in a high-finesse cavity with a mirror coated on a mechanical resonator. We show that the optomechanical coupling can be described by an effective susceptibility which takes into account every acoustic modes of the resonator and their coupling to the light. At low frequency this effective response is similar to a harmonic response with an effective mass smaller than the total mass of the mirror. For a plano-convex resonator the effective mass is related to the light spot size and becomes very small for small optical waists, thus enhancing the quantum effects of optomechanical coupling.     

空间谐振式陀螺谐振腔的失调分析

为了克服平面谐振腔调节精度高、损耗大的困难,提出了一种新型空间谐振式陀螺的谐振腔结构。并利用光学变换矩阵和菲涅尔-基尔霍夫衍射积分公式建立数学模型,通过MATLAB仿真计算谐振腔各腔镜因失调引起的衍射损耗。计算结果表明当谐振腔边长为4cm,入射光束束腰半径为0.25mm时,凹面镜的曲率半径为0.397m,反射镜失调引起的衍射损耗近似为0,即失调对陀螺的性能没有影响。得到陀螺的极限灵敏度为1.54°/h。     

大口径轻量化主镜的温度场等效模型理论计算

针对大口径望远镜主镜在环境温度变化和太阳辐照变化引起的温度场变化进行了理论分析,根据圆柱坐标下设立的非稳态热传导方程和边界条件,利用分离变量法和格林函数法求解了主镜的温度场分布。为了验证求解的有效性,利用求得的温度场解析式和有限元软件分别分析了2.8 m口径望远镜实心主镜,反射面径向温度分布具有良好的一致性。表明该理论解析式能够较好地反映主镜反射面的温度场分布。将轻量化主镜进行无筋板的薄型镜热模型等效,并分别对两种镜子的温度场进行仿真计算,以此验证等效模型的正确性。轻量化主镜温度场的等效理论计算结果在主镜的早期设计研究阶段具有良好的参考价值。