发散光束抽运的宽带光参量啁啾脉冲放大系统的理论研究

对发散光束抽运的光参量啁啾脉冲放大器的增益带宽进行了系统的理论研究.采用空间傅里叶变换和四阶Runge-Kutta算法，分别模拟了非衍射极限情况下的高斯光束和空间频谱为矩形的发散光束作为抽运光时的增益曲线.结果表明：不管是在可见光或是在近红外光谱区，用发散光束均可以明显地改善光参量啁啾脉冲放大系统的增益带宽.选取合适的发散角和抽运光强，可以获得高增益、宽谱带的信号光输出. 关键词： 光参量啁啾脉冲放大 增益带宽 发散角 高斯光束     

基于S变换滤波解相法的条纹解相研究

S变换可以看作是介于小波变换与窗口傅里叶变换之间的变换,具有很强的时频分析能力,它将一维信号变换为时间(空间)和频率的函数,称为瞬时S变换谱,在沿窗口移动方向上,S变换谱的叠加可得到全局信号的傅里叶频谱。在S变换用于条纹解调时,局部基频的正确提取是确保获得全局信号基频分量的关键。为此研究了不同的滤波过程对S变换解调条纹相位的影响,利用不同的滤波器,在对局部S频谱进行加权滤波后,叠加局部基频,得到全局基频分布,然后再利用逆傅里叶变换获得条纹的相位分布,从而重建被测物体的面形。讨论了阈值滤波、平顶高斯和平顶汉宁滤波、"脊"线拟合后的平顶高斯和平顶汉宁滤波在S变换轮廓术中的应用,通过计算机模拟和实验,初步对比了滤波效果。     

基于模拟退火算法的自适应近场光束整形

在激光实际应用中,为了提高系统的利用效率,常常需要将激光器的输出光束整形为特定光强分布光束.基于纯相位液晶空间光调制器的高空间分辨率、实时可编程控制等特性,结合模拟退火算法搭建了一套自适应近场光束整形系统.理论模拟了该系统对于理想高斯光束的近场整形效果,并基于这一闭环系统,对固体激光器输出的近高斯光束进行了近场光束整形...     

影响空间变化偏振矢量光束强聚焦后焦斑移位的因素

利用衍射积分公式数值模拟了不同阶次的空间变化偏振矢量贝塞尔高斯(BG)光束经过强聚焦系统后在焦点附近的强度分布。数值结果显示空间变化偏振矢量BG光束聚焦后在光束传播轴负方向存在焦斑移位现象,其焦斑移位的大小与光束的模阶次、光束宽度、波长以及局部偏振状态密切相关。矢量光束偏振态的变化依靠液晶相位延迟器(LCVR)的相位延迟角度来控制,由于LCVR的相位延迟角度可以在0～π之间连续变化,从而改变光束的局部偏振状态,间接实现了对矢量光束焦斑移位大小的实时控制,在光学微操纵领域具有潜在的应用价值。     

纯相位空间光调制器实现振幅调制的技术研究

纯相位空间光调制器能够方便地模拟各种相位型光学元件,但不能直接模拟振幅型元件。使用两种方法,即棋盘相格法和闪耀光栅法,把由这两种方法生成的计算全息图加载到纯相位空间光调制器上,通过搭建的光束变换系统进行实验验证。实验结果表明,棋盘相格法和闪耀光栅法都能很好地实现振幅调制,用闪耀光栅法生成的叉状振幅光栅,给拉盖尔-高斯光束的合束带来了一种新的方法。     

非Kolmogorov湍流相位屏仿真及对光束传输模拟的影响

采用正态分布模型来描述传播路径上功率谱幂值的非均匀性,利用功率谱反演法构建了基于等效结构常数的非Kolmogorov湍流相位屏,并利用多重相位屏法进行了高斯光束在均匀各向同性湍流与非Kolmogorov湍流两种模型下的传输模拟。通过观察模拟光束的光强均匀度、光束漂移以及闪烁指数等,研究了非Kolmogorov湍流对光束传输模拟的影响。结果发现,当光束通过单个非Kolmogorov相位屏时,光强最大值与光强均匀度随着幂值先增大后减小,光束漂移随幂值在一定范围内单调变化。当光束通过多重相位屏时,发现模拟光束的光强闪烁指数会受到相位屏数量以及湍流模型的影响,当相位屏数量较多时,均匀各向同性湍流模型下模拟得到的光强闪烁指数会大于非K湍流模型下的结果,且非K湍流模拟的光束漂移与均匀各项同性湍流模拟得到的光束漂移的相对误差会随着相位屏数量增多而趋于0。     

全息光栅曝光系统中空间滤波器孔径与激光束腰关系的选择方法

在全息光栅制作过程中, 由空气悬浮颗粒及光学器件缺陷引起的散射光会被记录在光刻胶上, 既影响光栅衍射效率, 又会带来光栅杂散光. 为消除系统散射光, 需要对激光光束的高频成分进行滤波处理. 但是, 激光光束通过空间滤波器后发生衍射, 进而影响干涉场质量, 因此选择合适的空间滤波器孔径是搭建全息光栅曝光系统的前提条件. 根据标量衍射积分理论, 通过卷积计算滤波光束的振幅分布分析光束的相位变化, 以光束相位突变位置远离光束中心为依据确定滤波器针孔半径与光束束腰半径的比值下限; 根据滤波光束的能量守恒关系, 通过滤波光束的高斯参数变化描述光束的衍射强弱规律, 以光束发生衍射的临界条件确定滤波器针孔半径与光束束腰半径的比值上限. 结果表明, 当空间滤波器针孔半径与激光束腰半径之比满足1.52< a/ω₀<2.2时, 滤波光束曝光区域相位恒定, 光束能量通过率大于99%, 在此区间空间滤波器滤波效果最好.     

完美涡旋光束在大气湍流中的斜程传输特性

完美涡旋（POV）光束具有光束半径与拓扑荷数无关的特点,与其他涡旋光束相比具有更加稳定的空间强度分布特性。利用多相位屏法和傅里叶变换法,分析了POV光束在大气湍流中的斜程传输特性。采用光束漂移和孔径平均闪烁指数作为大气湍流影响光束质量的评价参数,对比了POV光束与高斯涡旋光束在相同传输条件下的光束质量。结果表明：相比于高斯涡旋光束,POV光束的光束稳定性更好。当拓扑荷数增大或天顶角减小时,POV光束抵抗大气湍流的能力增强。在不改变POV光束拓扑荷数的前提下增大其光束半径,也能提高POV光束对大气湍流的抵抗能力。     

激光空间相干性对照明均匀性的影响

 研究了激光相干性对照明均匀性的影响，为照明激光器的选择提供了理论参考。其中，部分相干高斯光束分解为模式间相互独立的厄米-高斯光束的迭加。采用相位屏的近似处理方法对激光通过大气湍流的传输进行计算模拟。数值模拟的结果表明：当照明光束的空间相干性降低时，其照明均匀度逐步提高。因此对于照明激光器而言，选择空间相干性较差的激光器对其照明均匀度更加有益。     

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.     

四瓣高斯光束的Gyrator变换性质和矩形空心光束的产生

基于Gyrator变换,推导了四瓣高斯光束场分布的解析表达式,研究了四瓣高斯光束通过Gyrator变换后的光强分布和相位分布.结果表明:在Gyrator变换过程中,四瓣高斯光束能够转换为具有光涡旋的矩形空心光束,在获得矩形空心光束时其四顶角处光束强度最强,而四条边上的光束强度分布几乎是均匀的.对影响矩形空心光束强度和相位分布的光束参数和变换角进行了详细的分析,发现光束阶数不同,产生不同类型的空心光束;Gyrator变换的变换角则影响空心光束能量分布;空心光束亮环的大小由四瓣高斯光束的束腰宽度决定,束腰宽度越大,矩形空心光束的宽度越小.     

透射型体相位光栅对连续激光束的空间低通滤波

利用Kogelnik一维耦合波理论,以及离散傅里叶变换,分析光栅矢量相互正交,且串联级联放置的两透射型体相位光栅对空域任意分布的连续激光光束的衍射特性;讨论其对入射光束的空间低通滤波性能,并具体模拟其对畸变高斯光束空间低通滤波的效果.结果表明,利用体光栅优良的角度选择特性,无须对畸变光束进行聚焦,即可实现入射光束角谱域中的高频成分与低频成分的空间分离,滤除畸变高斯光束中高频角谱成分,使得衍射光束与未畸变光束在空域中的光强分布非常接近,达到滤除畸变光束中杂散成分且保留有用成分的主要目的.这种方法有效地避免了聚焦型空间低通滤波,如针孔滤波在针孔附近光强过高,易致针孔周边材料损坏等不利因素,有助于应用至高功率激光光束质量的优化.     

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.     

非均匀采样的功率谱反演大气湍流相位屏的快速模拟

对大气湍流功率谱非均匀采样可以有效改善传统功率谱反演法低频采样严重不足的缺陷, 实现高精度的大气湍流相位屏的模拟. 但采用的直接求和运算计算复杂度高, 相位屏的模拟速度极慢. 将非均匀快速傅里叶变换(NUFFT)引入到大气湍流相位屏的模拟, 可以实现相位屏的快速模拟. 从随机过程的谱分解出发, 将大气湍流相位随机过程表示为有限谐波分量叠加和的均方极限. 通过一个高斯核函数的卷积, 将非均匀分布的谐波复振幅映射到均匀网格空间, 进而利用快速傅里叶变换, 降低计算复杂度, 加快大气湍流相位屏的模拟速度. 以大气湍流的Kolmogorov 谱为例, 利用NUFFT仿真得到大气湍流相位屏, 并对相位屏的模拟精度、模拟速度和误差进行统计分析. 结果表明, NUFFT的引入可以实现快速、高精度的大气湍流相位屏的模拟.     

结合去卷积的艾里光束片状光显微成像研究

为了解决传统高斯光束片状光照明显微成像技术高轴向分辨率时视场范围(FOV)小的问题,结合艾里光束片状光照明样本成像与去卷积算法,实现了光片显微镜对样本的高轴向分辨率大视场成像。数值模拟了高斯光束与艾里光束经过物镜聚焦后的光强分布。搭建实验光路系统,在液晶空间光调制器上加载三次相位图生成艾里光束,并扫描光束生成片状光照明荧光微球、染色的斑马鱼肌肉组织进行成像实验。在艾里光束光片显微镜成像结果基础上,建立去卷积算法进行图像恢复,克服了艾里光束光片显微镜成像范围大但轴向分辨率不高的问题,对荧光微球成像,探测放大倍率为42倍,FOV从高斯光束光片显微镜的25μm扩大到208μm;对染色的斑马鱼肌肉组织进行成像,探测放大倍率为53倍,FOV由20μm扩大到167μm。仿真和实验表明,通过艾里光束光片显微镜与去卷积算法的结合可以在扩展光片显微镜成像视场的同时提高轴向分辨率。     

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.     

反射型体相位光栅对连续激光光束空间低通滤波

选取4块反射型体相位光栅,两两配对分为两组,各组中的光栅条纹面相互垂直,光栅矢量面正交放置,构成反射型体相位光栅空间低通滤波装置,被用来实现连续激光光束二维空间低通滤波的功能。利用Kogelnik耦合波理论,分析了上述装置对连续激光光束的空间低通滤波性能,并模拟了其对畸变高斯光束的空间低通滤波效果。结果表明,采用这种装置可使得畸变高频角谱成分具有极低的衍射效率,而对有用低频角谱成分具有高达98%以上的衍射效率,能够达到不须对入射光束聚焦就能实现高、低频角谱成分空间分离的目的,从而使得滤波后的光束较未畸变光束的空间光强分布基本一致。     

基于标量衍射理论下的球面折射微透镜对高斯光束的准直研究

本文应用瑞利-索末菲标量衍射理论分析了具有球面轮廓的折射微透镜对激光器输出高斯光束的准直特性.数值结果显示,在最佳准直条件下,高斯光束经过球面折射微透镜准直后的传输是一个振荡过程;同时,如果不考虑微透镜的衍射效率,当球面折射微透镜的F数越大,高斯光束经过准直变换后的远场发散角越小.     

高斯光束在外加空间调制电场的光折变晶体中的演化

研究了高斯光束在外加空间调制电场的光折变晶体中的演化,结果表明,在不同的外加调制电场作用下高斯光束的光场分布会随着外电场变化而被调制。重点研究了同相位和反相位以及相位差为π/2的高斯光束在外加空间调制电场的光折变晶体中的相互作用,在外加空间分布线性增加电场作用下出现了许多新的实用特性,通过调整外加电场分布,可以让两同相位相干光靠得更近而不发生融合,也可以让两靠得很近的反相位光束可控偏转,还可以控制相位差为π/2的两相干光束进行能量转移。这种连续变化的电场可以用阶梯分布的电场替代,为工程实现提供了可能。     

激光传输模拟中基于衍射过程FFT算法的参量优化

为实现采用相位屏法正确模拟准直激光束经湍流大气的传输特性,根据湍流特性、抽样定理以及两屏间衍射过程FFT算法本身所决定的相邻两屏网格间距之间的关系,得出相位屏间距和网格间距确定网格数目最优取值的解析表达式,数值模拟高斯光束经自由空间和湍流大气传输的远场分布,网格数目取解析式求得的最优值848时,光束经自由空间传输的模拟结果与ABCD定律求得的解析结果完全一致;网格数目取836或860时,等效于光束通过偶数相位屏时被正透镜或负透镜阵列会聚或发散,削弱或夸大湍流大气对光束的影响,模拟结果出现严重偏差。