基于随机输入的束匀滑位相板研究

根据随机畸变激光波前入射确定束匀滑位相板的模型,利用随机理论分析了光束通过位相屏后的传输特性、透射光远场分布的统计均值和方差.通过计算得知远场分布的方差与位相屏的傅里叶谱的平方成正比.利用数值模拟计算了随机生成的两个波前分别通过两个位相屏后的远场分布,模拟结果证实了位相屏用于随机相位畸变激光束匀滑的可行性,并显示了匀滑效果.     

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。     

零相关位相板准远场应用的数值研究

对零相关位相板匀滑准远场散斑的特性进行了数值模拟,并与使用随机位相板(配合二单元 偏振控制板)的情形进行了比较.结果表明,尽管零相关位相板是针对入射场为平面波和作为 远场应用而设计的,但在准远场应用中,当离焦距离不超过0002355λf²/d2,入射场的振幅随机起伏不超过10%和位相随机起伏不超过λ/2０的情况下,其 散斑的光强起伏仍明显低于采用随机位相板的情形.因而,零相关位相板在准远场应用中仍 能有效地匀滑散斑. 关键词： 零相关位相板 准远场散斑匀滑 激光聚变     

连续位相板均方根梯度对焦斑匀滑特性的影响

为满足惯性约束聚变(ICF)系统中,对焦斑均匀辐照的条件,研究了连续位相板(CPP)面形特征对远场光斑质量的影响.从波动光学和几何光学两个不同的角度建立分析模型,并利用均方根梯度这一参数将其统一起来.利用所建立的分析模型,通过数值计算研究了CPP面形均方根梯度对低频畸变光束的匀滑效果.结果表明:随着CPP均方根梯度增大,匀滑后的远场焦斑半径增大;光束顶部不均匀性先很快减小,再缓慢降低,最后趋于不变,可见CPP对光束的匀滑效果明显;束匀滑过程对能量利用率的影响先几乎不变,然后逐渐减小.当CPP的相关长度不变,均方根梯度在0.2-0.8 wave/mm范围内时,光斑尺寸、光束顶部不均匀性及能量利用率都在较好的范围. 关键词： 连续位相板 均方根梯度 光束匀滑 聚焦光斑     

随机高斯型相位板的束匀滑特性

 针对激光系统对光束匀滑的需求，设计了高斯型连续相位板，并对其远场特性进行了研究。分别计算了相干长度为39,30,10和3 mm的高斯相位板远场光斑分布，结果显示相位板自身相关长度是决定远场能量分布的重要因素，当相干长度大于10 mm时，由于不满足各态历经条件，远场光斑分布能量分散。当相干长度小于10 mm后，由于满足各态历经条件，远场光斑能量将接近理想的高斯分布特性。通过数值计算模拟了相干长度为3 mm的连续相位板对畸变光束进行匀滑处理的过程，演示了束匀滑处理结果。通过比较匀滑前后远场光斑的能量分布，显示了畸变光束通过连续相位板后远场光斑能量分布变化情况,通过相位板后，光斑形状明显接近理想高斯分布情况。     

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.     

随机位相板对激光束的变换特性

用衍射积分理论在较为一般的情况下,对激光束通过随机位相板后的准远场特性进行了理论分析和数值模拟研究.主要分析了随机位相板的光斑匀滑、光斑包络控制以及斑纹抑制等重要特性,得到了一些新的结果,对随机位相板的应用有参考意义. 关键词：     

激光束低频畸变波前模型的计算模拟

在分析强激光束低频位相噪声特点的基础上 ,采用位相均方根梯度表征激光束的低频位相噪声并结合随机位相屏构建相应的畸变波前模型。通过模拟计算 ,给出低频位相噪声的均方根梯度与聚焦光斑尺寸的初步规律。     

激光束低频畸变波前模型的计算模拟

 在分析强激光束低频位相噪声特点的基础上,采用位相均方根梯度表征激光束的低频位相噪声并结合随机位相屏构建相应的畸变波前模型。通过模拟计算,给出低频位相噪声的均方根梯度与聚焦光斑尺寸的初步规律。     

畸变波前相位校正效果分析

 以随机相位屏构造波前畸变相位,运用高通滤波的方法模拟变形镜对光束波前畸变相位的校正作用,模拟分析了畸变波前的相位校正效果,定量分析了校正效果与低频相位畸变和高频相位畸变之间的关系,并进一步讨论了变形镜的校正位置对校正效果的影响。研究结果表明:对于给定单元尺寸的变形镜,随着畸变波前中高频相位畸变所占比例的增大,经校正后的远场光束质量明显降低,校正效果也越来越差。此外,光学变形镜所在位置对校正效果存在明显影响,校正效果随校正位置的变化呈现出起伏变化。     

提高能量密度的超衍射极限激光光束相位补偿技术

定义了激光光束衍射远场光斑压缩前后的能量比以及能量密度比来衡量超衍射极限激光光束的质量。通过利用反向传递算法设计了合适的补偿相位板，不但对准直放大的单一横模激光光束进行小于光学衍射极限的发散度的压缩，同时又保证光束能量集中于压缩后的远场衍射主瓣中，使压缩后的远场衍射光斑的能量密度增加。给出了相应的实例。这一结论不但解决了光学超分辨中光束压缩与能量损失不可避免这一矛盾，而且为发散度小且能量密度高的超衍射极限激光光束的实验工作以及该类光束的实际应用提供了理论基础。     

High-frequency phase recovery of distorted wavefront and analysis on phase correction effect

By constructing a distorted wavefront with random phase screen, the correction process of distorted wavefront has been simulated, and the correction effect of deformable mirror has been simulated and analyzed with the method of high-pass filtering. The variations of correction effect and high-frequency phase distortion have been quantitatively analyzed. The results show that the beam quality of the corrected beam degrades obviously with the increase of high-frequency phase. In addition, a new method has been presented to recover the high-frequency phase of distorted wavefront according to the given intensity distribution and low-frequency phase in near field and the intensity distribution in far field. It shows that the method is very effective to recover the high-frequency phase of distorted wavefront.     

高斯光束经相位连续变化型波带片的衍射特性

 根据瑞利-索末菲标量衍射理论分析了相位连续变化型波带片对高斯光束的衍射特性。在高斯光束入射下,对相位连续变化型波带片光轴和焦平面上的太赫兹强度分布特性进行了模拟,分析了入射光束的束腰半径和束腰位置对衍射场的影响,并与平面波入射的情况进行了对比。数值结果显示,相位连续变化型波带片可以实现对高斯分布太赫兹波的聚焦。相位连续变化型波带片的衍射规律与薄透镜的聚焦规律相似。通过合理调整束腰与波带片之间的距离可以保证衍射效率在85%以上。与平面波相比,高斯光束入射下的焦点处中心场强较小,但衍射效率较高。     

Focal shift of radially polarized axisymmetric Bessel modulated Gaussian beam with radial variance phase plate

Focal shift of the radially polarized axisymmetric QBG beam with radial variance phase plate is investigated theoretically by vector diffraction theory. Axisymmetric Bessel modulated Gaussian beam with quadratic radial dependence (QBG beam) has attracted much attention recently. Calculation results show that focus shifts considerably by changing the phase parameter C that indicates the radial phase variance speed. Under condition of beam parameter μ of radially polarized axisymmetric QBG beam, there is one focal spot that shifts far away from optical aperture on increasing C. When increases the value of beam parameter, there may occur two focal peaks that also shift remarkably on increasing C.     

Surface statistical characteristics and smoothing analysis of continuous phase plate

According to the random characteristics of surface distribution of continuous phase plate (CPP), the characteristics of such random surface are analyzed from a statistical point of view. Based on the continuous phase plate with Gaussian distribution, the ergodic theorem is introduced to describe the statistical characteristics of CPP, and the qualification that fulfills the ergodic theorem is proved. The CPP which fulfills the ergodic theorem is proved to have better beam smoothing properties in both spatial and frequency domain by numerical simulation. The results show that after smoothing, the focal spot of random distortion beam is well controlled. The average PSD value of distortion wavefront is decreased by 50% or more.     

Phase compensation of laser beam modes

A technique is described for improving the propagation characteristics of high order laser beam modes. A thin phase plate inserted in the beam forces all portions of the wave front to oscillate in phase and yields a substantial improvement in the far field intensity distribution. Depending on the mode order, the peak intensity at a distant target may be readily increased by more than a factor of ten.     

惯性约束聚变装置中靶面光场特性的统计表征方法

在激光驱动的惯性约束聚变装置中,常采用多种束匀滑手段对焦斑的时空特性进行调控.光传输链路中涉及的光学元件众多、传输变换复杂,往往导致光传输模型复杂,且在运用衍射光学方法分析焦斑形态和特征时面临大量的数据处理和计算,致使出现计算量大、计算效率低等问题,亟需寻求快速而简便的新方法来描述焦斑的统计特征.本文利用光场特性的统计表征方法对靶面光场进行表征,采用圆型复数高斯随机变量直接描述靶面光场的统计特征,并基于典型焦斑评价参数对衍射光学方法和统计表征方法得到的远场焦斑进行了对比和分析.结果表明,采用衍射光学方法和统计表征方法获得的焦斑的瞬时特征基本一致,其时间积分的远场焦斑有所不同,但仍可进一步采用相关系数来表征其远场焦斑的时间变化特征.     

超衍射极限相干反斯托克斯拉曼散射显微成像技术中空心光束的形成

空心光束的质量是超衍射极限相干反斯托克斯拉曼散射显微成像技术中决定成像质量的一个至关重要的因素. 本文基于菲涅耳衍射理论,分析了螺旋相位片法产生空心光束的物理机理,并且模拟了不同的入射条件对产生的空心光束的影响. 模拟结果表明:波长与相位片中心波长匹配且光强呈圆对称分布的高斯光垂直入射到相位片上,当高斯光束中心与相位片中心完全对准时,可获得较理想的空心光束;入射光光强分布的圆对称性以及入射光中心与相位片中心的对准程度都会影响产生的空心光束的强度分布;同时,高斯光束小角度倾斜入射时,空心光的强度分布仍呈圆对称,却在观察面发生一定的位移;此外,入射光中心波长偏离相位片中心波长不大时,对产生的空心光束的强度分布几乎没有影响. 上述分析结果对用于超衍射相干反斯托克斯拉曼散射显微成像技术中理想空心光束的获取具有重要的指导意义. 关键词： 空心光束 超衍射极限 相干反斯托克斯拉曼散射 螺旋相位片     

Generation of a vortex ultrasonic beam with a phase plate with an angular dependence of the thickness

Vortex-wave beams are beams that carry angular momentum. Their specific feature is a ring-like transverse distribution of wave intensity with zero intensity at the axis. A method for generating an ultrasonic vortex beam by combining a single-element transducer and a phase plate with a nonuniform thickness is proposed. The method is examined theoretically and tested experimentally. In the theoretical analysis, the acoustic field was calculated using the Rayleigh integral. Experiments were performed in water with a focusing piezoceramic source with a frequency of the order of 1 MHz; the radiation from it was transmitted through a 12-sector organic-glass phase plate. The beam vorticity was established by setting the correct thickness of sectors. The results of scanning the field with a miniature hydrophone confirmed that the amplitude and phase distributions of the generated wave field were in fact consistent with a vortex beam. The capacity of the obtained beam to induce the rotation of scatterers positioned in the focal region was demonstrated.     

用零相关相位板匀滑散斑的理论研究

对零相关相位板匀滑散斑的特性进行了理论分析和散值计算,结果表明尽管零相关相位板是针对入射场为平面波面而设计的,但在入射场的振幅和相位有一定起伏的情况下,其远场光斑的散斑对比度明显低于采用随机相位板的情形.因而用零盯关相位板匀滑散斑是一种更为有效的方法.