一种基于角谱理论的改进型相位恢复迭代算法

进行星间激光通信的光学发射天线光束整形器设计时, 首要解决的问题是根据输入光场及理想的输出光场, 确定整形器的相位分布, 其核心就是相位恢复. 基于角谱传播理论, 在传统 Gerchberg-Saxton (G-S)迭代算法的基础上, 提出了一种幅度梯度加成迭代算法, 给出了算法的详细流程与分析. 与G-S相比, 新算法利用迭代过程, 构建光场幅度反馈回路, 利用梯度搜索最佳迭代路径, 两者的联合作用加速其迭代收敛进程. 数值仿真表明, 新算法的单位迭代次数所引起迭代误差下降的速度是G-S算法的1.7倍, 其收敛速度明显优于G-S算法; 对不同的随机初始相位, 新算法都能进行有效迭代, 表现出适应性强, 且收敛一致性好的优点. 幅度梯度加成迭代算法为复杂光场的高效相位恢复提供了一种新思路, 为设计各种衍射光学元件提供了技术支持. 关键词： 相位恢复 迭代算法 角谱理论 光通信     

二维相位计算单元的全光实现

相位的计算在二维傅里叶变换等光学计算中有着很重要的作用,在G-S算法等相位恢复算法中更是有着较多的应用.提出了一种全新的相位叠加方案,除了器件本身的光电转换特性外,不需要外加非光学的辅助单元,用全光的方式实现了相位的线性叠加.通过对该计算单元原理和基本构架进行理论分析和计算机仿真,证明了方案的可行性.设计的计算单元既可...     

基于工艺的连续相位板设计

为改善惯性约束聚变(ICF)系统中聚焦光束质量,降低元件的加工难度,建立了基于工艺的连续相位板(CPP)理论设计模型,并从初相选取、相位展开、滤波、焦斑频谱控制等多方面改进了传统的G-S算法,比较分析了传统设计方法和基于工艺设计方法设计的CPP的加工特性和焦斑性能.基于工艺设计的CPP面型光滑,其产生的焦斑顶部均方根(RMS)和能量利用率η分别从传统G-S的62.8%和98.0%改进到16.9%和98.6%,而且有效抑制了10～100 μm的频谱成分.结果表明,基于工艺的CPP设计方法能够较好满足现有工艺约束条件和物理需求.     

连续相位板束匀滑容差能力分析

在惯性约束聚变系统中,改进G-S算法设计的连续相位板能够对波前发生畸变的激光进行束匀滑处理,以改善远场分布。由于连续相位板对不同畸变状态的波前进行处理后的效果不一样,因此针对连续相位板的束匀滑容差能力进行了系统分析。鉴于畸变光束的传输特性,采用波前均方根梯度来量化波前畸变量,定量计算了不同畸变光经过匀滑处理后的远场光强分布情况。并比较了不同入射畸变光通过连续相位板后的远场焦斑顶部均匀性,结果表明:当入射波前畸变的均方根梯度小于0.32 wave/mm 时,连续相位板具有很好的束匀滑效果。     

基于神光Ⅲ原型的背向散射实验技术研究

激光与等离子体相互作用研究是惯性约束聚变 (ICF) 研究中的重要研究内容. 为了定量研究神光III原型实验中激光与等离子体互作用产生的散射光能量和光谱, 研制了全孔径和近背向散射诊断系统, 并介绍了全孔径和近背反测量系统的光路结构. 对采用连续相位板技术后引起的激光焦斑变化进行了分析. 介绍了采用全孔径和近背向散射诊断系统在神光III原型上完成的考核束匀滑实验效果的实验, 对比了使用束匀滑前后背向散射系统获得的散射光份额和散射光谱分布. 实验发现, 在神光III原型使用800J能量 8束打靶的条件下, 使用束匀滑后背向散射光份额可以降低到5%以下, 其散射光谱也更加集中. 这些数据为黑腔能量学等研究的进一步发展起到重要的促进作用. 关键词： 激光散射 连续相位板 黑腔 光谱     

基于液晶空间光调制器的激光束整形

采用相位混合算法(PMA)与平滑修正法相结合的混合算法,对激光发出的高斯光束进行整形,得到了均方误差和顶部不均匀度均明显降低的等光强分布。利用液晶空间光调制器(LCSLM)的相位调制特性,实现了对高斯光束的光束整形,获得了光强均匀分布的圆光束和矩形光束输出。得到的输出光束顶部不均匀度和均方误差都低于5%,能量集中度在90%以上。表明此方法是一种实时、可控和高效的激光束整形方法。     

Nonlinear beam shaper for femtosecond laser pulses, from Gaussian to flat-top profile

We present a straightforward method to transform a spatially Gaussian femtosecond laser beam into a flat-top shaped beam. The proposed technique takes advantage of a nonlinear phase induced in positive Kerr medium followed by a simple optical system. The variation of the refractive index with the laser intensity creates a phase plate which induces changes in the beam profile after propagation; flat-top and doughnut profiles are observed. The shaping conditions are computed numerically and confirmed experimentally. The method does not introduce energy losses. The device is very simple, self-regulated, flexible and does not need a manufactured phase plate or precise alignment. This method can be useful for light-matter interaction and laser machining.     

利用边缘相位校正实现光束整形的高精度优化

提出利用边缘相位校正的新方法,校正用追迹法设计的产生环形光束的衍射光学元件的相位分布,从而实现光束整形中的高精度优化。通过将高斯光束整形为环形光束,将该方法、G-S(Gerchberg-Saxton)算法和改进的G-S算法设计得到的整形结果作了比较,结果表明,G-S算法的整形结果虽然衍射效率最大,但是均方根值和最大偏差也太大;改进的G-S算法可以有效的降低均方根值和最大偏差,但衍射效率也有较大的下降;而用边缘相位校正可以在衍射效率略微下降的情况下,更大的降低均方根值和最大偏差,其整形结果是综合了衍射效率、均方根值和最大偏差这三个评价指标以后得到的最优化结果,已接近理想的环形光束。     

Modified Gerchberg–Saxton (G-S) Algorithm and Its Application

The Gerchberg–Saxton (G-S) algorithm is a phase retrieval algorithm that is widely used in beam shaping and optical information processing. However, the G-S algorithm has difficulty obtaining the exact solution after iterating, and an approximate solution is often obtained. In this paper, we propose a series of modified G-S algorithms based on the Fresnel transform domain, including the single-phase retrieval (SPR) algorithm, the double-phase retrieval (DPR) algorithm, and the multiple-phase retrieval (MPR) algorithm. The analysis results show that the convergence of the SPR algorithm is better than that of the G-S algorithm, but the exact solution is not obtained. The DPR and MPR algorithms have good convergence and can obtain exact solutions; that is, the information is recovered losslessly. We discuss the security advantages and verification reliability of the proposed algorithms in image encryption. A multiple-image encryption scheme is proposed, in which n plaintexts can be recovered from n ciphertexts, which greatly improves the efficiency of the system. Finally, the proposed algorithms are compared with the current phase retrieval algorithms, and future applications are discussed. We hope that our research can provide new ideas for the application of the G-S algorithm.     

利用晶体相位板同时实现焦斑整形和偏振匀滑

提出了一种新方法, 采用单轴晶体制作相位板, 可同时实现对惯性约束聚变激光驱动器靶点焦斑的整形和偏振匀滑. 采用标量衍射方法分析了晶体相位板的原理, 从焦斑的分布特征出发求解晶体的最佳面形. 在某装置参数条件下, 对晶体相位板的应用效果进行了数值模拟. 结果表明, 在特定的晶体切割角度和面形条件下, 晶体相位板能够对靶点焦斑进行有效的整形和匀滑, 其效果与连续相位板和偏振匀滑晶体的组合相当. 关键词： 相位板 单轴晶体 焦斑整形 偏振匀滑     

激光惯性约束聚变驱动器终端光学系统中束匀滑器件前置的条件研究

对激光惯性约束聚变（ICF）驱动器终端光学系统中连续相位板（CPP）的位置优化进行了研究.根据高强度激光非线性及微扰传输理论计算了CPP前置时激光通过频率转换系统以后的近远场光束特性和系统的三倍频转换效率.研究发现,前置于基频光路的CPP对三倍频转换效率和出射光束特性均有影响,但只要远场圆形焦斑直径小于05 mm,三倍频转换效率的下降与出射光束通量对比度的上升均在容许范围之内,同时远场焦斑形态和能量集中度也符合设计要求.对于实现远场小焦斑匀滑的CPP前置于ICF的基频光路中进行光束匀滑和整形,不会对IC 关键词： 连续相位板 束匀滑元件 惯性约束聚变 光束通量对比度     

基于焦斑空间频谱控制的连续相位板设计

 改进了传统的盖斯贝格 撒克斯通（G-S）算法,其中包含：改善了初始相位的选取;远场振幅采用弱调制,迭代中进行解相、滤波,以保证设计的相位板连续;对目标焦斑的频谱控制,使焦斑能量在频谱上重新分配。结果表明：相对传统设计的连续相位板（CPP）,改进后的G-S算法可以控制CPP的加工单元大小,降低CPP的相位梯度,更好地控制焦斑轮廓,降低特定频带的调制。进一步分析表明,新方法设计的CPP与光谱色散匀滑技术耦合的效果更佳。     

湍流等离子体鞘套中高斯光束的传播特性分析

为了研究高斯光束在湍流等离子体鞘套中的传输特性,根据广义惠更斯-菲涅耳原理,采用基于快速傅里叶变换的功率谱反演法,用多随机相位屏来模拟湍流带来的影响.根据超声速飞行器绕流等离子体流场厚度在厘米级别的特点,光束在两个相位屏之间的传输过程中采用菲涅耳衍射积分的两次快速傅里叶变换算法(double fast Fourier transform algorithm),利用多随机相位屏模拟等离子体鞘套湍流对光束传输产生的影响,解决了多随机相位屏模拟湍流研究中的超短距离传输问题.当飞行高度为45 km,飞行速度为18马赫时,通过对超声速飞行器绕流等离子体流场的统计分析,发现在此飞行条件下折射率起伏方差的强度范围10~(–11)—10~(–14).对高斯光束在湍流等离子体流场中的传输特性进行了数值仿真.结果表明:在等离子体鞘套湍流中折射率起伏强度、波长、传输距离等都是影响高斯光束质量的重要因素.折射率方差越大,传输距离越长,光斑弥散越严重,光强起伏越大,光强减弱也越明显.光束的波长越长,高斯光束抑制湍流的能力越强,光斑弥散程度越小,光强起伏也越小.     

Design of refractive/diffractive hybrid optical elements for beam shaping with large diffraction pattern

Diffractive optics is an important technique for beam shaping with high light efficiency and strong diffraction pattern flexibility. Since the diffraction angle is limited by the unit size of the diffractive optical element(DOE),the size of the required diffraction pattern is always rather small. In this Letter, refractive/diffractive hybrid optical elements(RDHOEs) consisting of a DOE and a lens are used to realize beam shaping for a large diffraction pattern. The lens, as the component of the RDHOEs, can not only be concave but also convex,and the double sampling Fresnel diffraction algorithm is developed for the design of these two types of RDHOEs.The simulation and experimental results provide solid evidence to demonstrate the proposed method with the pure phase spatial light modulator.     

用于光束匀滑的连续相位板近场均匀性

 为降低高功率激光系统中连续相位板(CPP)后续元件的强激光损伤风险,综合考虑入射光强调制、干涉及衍射作用等多种影响因素,建立了CPP近场计算分析模型,模拟和分析了这些因素对CPP后的近场均匀性的影响。理论分析结果表明：CPP后的光束近场均匀性主要受入射光调制、CPP表面剩余反射率和衍射传输距离的影响;当入射光束质量较差时,CPP后的近场均匀性主要由入射光束质量决定,CPP剩余反射率和衍射传输距离对近场均匀性影响相对较小;但当光束质量比较理想时,干涉和衍射作用会破坏CPP的近场均匀性,衍射传输距离影响尤为突出。     

Airy beam laser

A method to design lasers that emit an arbitrary beam profile is studied. In these lasers, output-coupling is performed by a diffraction grating that imposes a phase and amplitude distribution onto the diffracted light. A solid-state laser emitting beams with a two-dimensional Airy intensity profile is demonstrated both theoretically and experimentally. In this case, the diffraction grating adds a transverse cubic phase to the diffracted light. An Airy beam is obtained by performing optical Fourier transform of the out-coupled light. The laser beam profile and power characteristics are shown to agree with theory.     

Propagation of Lorentz and Lorentz-Gauss beams through an apertured fractional Fourier transform optical system

By expanding the hard-aperture function into a finite sum of complex Gaussian functions, we derive approximate analytical formulae for Lorentz and Lorentz-Gauss beams propagating through an apertured fractional Fourier transform (FRT) optical system. As an application example, properties of a Lorentz-Gauss beam in the FRT plane after propagating through a squarely or annularly apertured FRT optical system are studied numerically. The results obtained using the approximate analytical formula are in good agreement with those obtained using numerical integral calculation. The FRT optical system provides a convenient way for laser beam shaping.     

从电子显微镜的象面和衍射面强度复原相位的计算实例

高分辨率电子显微学中相位复原问题是一个重要问题。本文的计算表明,对于振幅为常数或线性函数,相位为抛物型、正弦型或指数型的波函数,可以采用Gerchberg-Saxton迭代算法从已知的象面和衍射面上的强度分布来唯一地和精确地复原真实的相位。我们编制了计算机程序,对于给定的象面波函数,采用离散的快速傅里叶算法,可以计算其衍射面的波函数。输入数值在-π,+π间的初始相位后,按照G-S迭代算法,利用本程序可以复原相位。文中详细给出了若干个计算实例。所得的相位迭代解对于1弧度的初始相位扰动是稳定的。 关键词：     

神光Ⅱ终端光学组件的频率变换逆问题研究

在激光惯性约束核聚变(ICF)精确打靶中,对激光束变换、整形和控制要求苛刻,通过数字在线操控技术能够在线实现激光系统的自动校准,而频率变换是数字在线操控技术中的关键一环。在不进行逼近迭代计算的情况下,基于可逆的傅里叶变换和龙格-库塔算法,对神光II终端靶场系统中负单轴晶体KDP的"I+II"类频率变换的逆问题进行了探讨和相应的算法研究,并给出了对应的模拟计算结果。最后,与神光装置运行的实验数据进行比对,验证了频率变换逆问题算法的正确性和稳定性。     

A New Fourier Iterative Algorithm for the Design of Phase－only Diffractive Optical Element Used in Laser Beam Shaping

ＡＮｅｗＦｏｕｒｉｅｒＩｔｅｒａｔｉｖｅＡｌｇｏｒｉｔｈｍｆｏｒｔｈｅＤｅｓｉｇｎｏｆＰｈａｓｅ－ｏｎｌｙＤｉｆｆｒａｃｔｉｖｅＯｐｔｉｃａｌＥｌｅｍｅｎｔＵｓｅｄｉｎＬａｓｅｒＢｅａｍＳｈａｐｉｎｇＳＡＮＧＴａｏ；ＬＩＡＯＪｉａｎｇｈｏｎｇ；ＬＵＺ...