位相调制产生“热像”效应理论研究

通过理论分析和数值模拟方法，研究了高功率激光系统中的非线性“热像”效应. 利用菲涅耳-基尔霍夫衍射积分和非线性近轴波动方程，在远场近似及光学薄近似条件下，得出了位相调制产生“热像”出现的位置及强度满足的解析关系.结果表明，“热像”形成在非线性介质后与衍射物对称的位置，其强度可能比振幅调制产生“热像”的强度大几倍. 通过计算机模拟，并与理论预测结果进行比较，显示两者符合较好. 同时给“热像”的形成过程赋予了明确的物理意义，指出“热像”的形成类似于同轴位相夫琅禾费全息过程. 关键词： “热像”效应 全息成像 小尺度自聚焦 高功率激光     

高功率固体激光装置光学元件"缺陷"分布与光束近场质量的定量关系研究

基于光传输理论,获得了弱调制情况下光学元件"缺陷"分布功率谱密度 (power spectral density, PSD)与光束近场强度分布PSD之间的定量关系;通过数值模拟的方法,针对高功率固体激光装置的基本单元(线性介质、非线性介质以及空间滤波器)对获得的理论关系进行了具体的验证和讨论.研究结果表明,弱调制下,只存在振幅型或位相型"缺陷"分布时,光学元件"缺陷"分布PSD与光束近场强度分布PSD通过近场强度分布PSD的系统传输因子联系,传输因子与系统的构型和运行状态有关.研究结果为光学元件"缺陷"分布指标的获得提供了理论基础,对高功率固体激光装置负载能力的提升起到了一定的指导作用. 关键词： 缺陷分布 功率谱密度 光学元件 光束质量     

关联“热像”特性的缺陷带通成像检测技术

"热像"是造成高功率固体激光装置光学元件损伤的重要物理机制。理论分析了相位缺陷经过非线性传输引起的"热像"特性,提出了带通成像提取引起"热像"的相位缺陷关键频谱方法,构建具有典型特征的16个相位缺陷,利用3种光路结构,量化分析了"热像"特性与带通成像特性间的关系,并获得了缺陷带通成像的相对亮度与"热像"强度的线性关系,相关程度与光学构型和带通滤波参数有关。研究结果对"热像"预判有重要意义,为高功率激光装置相位缺陷的检测奠定了技术基础。     

高功率激光系统中非线性热像与模糊斑大小的关系

高功率激光系统中非线性热像的强度可能达到光学元件的损伤阈值,从而危及系统的安全运行。明确并避免引起最强热像大小的模糊斑,可以降低热像的破坏威胁。通过理论分析与数值模拟方法,研究了高功率激光系统中非线性热像光强与模糊斑大小的关系。根据角谱传输和Bespalov-Talanov小尺度自聚焦理论,推导出一定厚度非线性介质的热像光强表达式,得到了热像光强随模糊斑大小的变化规律,并用数值模拟结果进行了验证。结果表明,随着模糊斑尺寸的增大,热像光强先是单调增大,达到一最大值后单调下降;热像光强最大时对应的模糊斑大小基本上与由Bespalov-Talanov小尺度自聚焦理论决定的最快增长小尺度调制尺寸相同。     

非线性增益介质中强激光热像的演化规律

高功率激光系统中的热像效应可能导致光束的峰值功率剧烈增加,增益非线性介质会使这种光强增幅更为强烈。基于菲涅尔-基尔霍夫衍射理论和非线性近轴波动方程,对强激光在增益克尔介质工作在饱和区时的热像产生过程进行理论分析,将光束传输方程中增益饱和部分进行麦克劳林展开,取其近似,经过推导得出了介质薄近似时热像强度解析式和热像位置。通过数值模拟对解析结论预测的热像强度和位置进行验证。仿真结果表明,热像的位置在衍射物相对于介质对称处,热像强度解析结果与模拟结果相符,在薄介质时,解析解与模拟结果拟合较好。热像强度随非线性介质内非线性效应增强而停止增加,此外,讨论了热像强度随调制类型的变化。     

高功率激光系统中全息“热像”效应

 对高功率激光系统中存在的一种类似于小尺度自聚焦的非线性过程“热像”效应进行了理论分析和模拟计算。当一束经过遮光物调制的激光光束通过非线性介质后，在随后的光路上将产生一个亮点，即“热像”。“热像”处的光强比背景光强大几倍，因此位于“热像”附近位置的光学元件很可能遭受损伤。从全息成像的角度对“热像”的形成过程进行了分析。结果表明：“热像”的位置处于以非线性介质为中心与遮光物大约对称的地方，“热像”的光强是原始光强的(1+B)2倍。计算机模拟与理论计算结果吻合较好，验证了上述结果。     

厚介质情况下激光“热像”的演化规律分析

以“热像”形成的衍射理论模型和分步傅里叶算法为基础，模拟研究了厚介质情况下“热像”的形成特点.重点分析了散射点调制系数(包括振幅调制和相位调制)、散射点与介质前表面之间的距离、散射点大小、入射光强等参数的变化对“热像”点位置以及强度的影响.数值模拟结果与解析理论结果进行了对比，在散射点调制系数和入射光强的变化对“热像”的影响两种情况下，得出了与解析理论基本一致的结论；在散射点大小的变化对“热像”的影响情况下，得出了与解析理论预言不同的结论.此外，还发现散射点与介质前表面距离为零时，在介质后表面也可能出现“热像”效应. 关键词： 热像 小尺度自聚焦 分步傅里叶算法 散射点     

高功率激光光束经颗粒污染后的近场衍射效应

采用高功率激光驱动器设计软件Laser designer数值研究了激光光束经颗粒污染后的近场衍射特性. 对颗粒污染所产生的调制进行了分类, 并详细分析了真空和石英玻璃中, 振幅调制型和位相调制型颗粒污染对光束近场的影响. 研究结果表明, 无论在真空或石英玻璃中, 位相型颗粒污染对高功率激光光束的近场调制影响较大. 且在石英玻璃中, 位相型硬边颗粒污染所引起的高功率激光光束小尺度自聚焦热像调制现象相当严重. 而由颗粒污染引起光束强区的横向偏移, 却在一定程度对小尺度自聚焦有抑制作用.     

高功率激光传输过程中散射点对光束质量的影响

为了研究高功率激光传输过程中不透明颗粒引起的光束调制,通过分析这些不透明颗粒的形状和分布特点,建立了位置呈随机分布的高斯状散射点模型,从光束的衍射理论和干涉叠加理论出发,得到该模型下散射点对传输光束质量影响的解析式。数值分析了高斯状散射点的大小、密度、散射面积比及其传输距离对输出光束的近场分布、位相分布和光束透过率的影响,结果显示亚毫米量级散射点的衍射效应引起最大调制可达1．4,光学元件散射面积比小于0．003时才能满足元件透过率大于99．5％的需求。该结果可用于评价高功率激光装置光学元件的加工状况,并对光学元件加工要求和激光装置的洁净度要求有指导意义。     

宽频带光束非线性热像效应的实验研究

实验研究宽频带脉冲光束通过非线性介质时的非线性热像的形成过程,揭示了光束入射功率和脉冲宽度、介质厚度等因素对热像光强和位置的影响. 结果表明,与单纵模激光束一样,在宽频带脉冲光束情形下,非线性介质上游元件的模糊斑调制也可导致在下游共轭位置形成热像. 热像光强随入射光束功率的增加而增加;若脉冲能量一定,则热像光强随脉冲宽度的增加而减弱;若脉冲峰值功率一定,则热像光强随脉冲宽度的增加而增强. 关键词： 高功率激光 热像 宽带光束 小尺度自聚焦     

Simulation analysis of evolution of hot-images induced bycoplanar multi-scatterers

Based on the diffraction theory model for hot-image formation, the evolution of hot-images induced by multi-scatterers located in the same plane perpendicular to the propagation axis is numerically simulated. The simulation results show that hot-images induced by coplanar multi-scatterers are also coplanar no matter whether they exist simultaneously or severally. However, if they exist simultaneously the peak intensity of the primary hot-images is weaker than if they exist severally. The unequal competition for energy between the scattered beams from the scatterers leads to the fact that part of the corresponding hot-images are relatively enhanced and the others are restrained. The results show that the hot-images of certain scatterers become stronger when any of these parameters, i.e. amplitude modulation coefficient, phase modulation coefficient and size of the surrounding scatterer, decrease.     

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.     

级联介质系统中多散射点形成热像的数值分析

 以5片带增益损耗的级联介质板为例,数值模拟分析了高功率激光器系统中,由垂轴平面内多个散射点形成热像的演化规律,讨论了散射点参数对散射光之间相互作用的影响。模拟结果表明：无论这些共面的散射点同时或分别单独存在,其形成的热像点亦共面,只是同时存在时对应的热像峰值强度比单独存在时低;当不同参数散射点引起的散射光在从背景光场中提取能量形成热像时,提取能量的竞争并不平等,最终会导致某些散射光在能量竞争中处于优势,最终形成的热像得到加强,而其它散射光形成的热像受到抑制。     

划痕型缺陷对光场质量的影响

为了研究高功率激光系统中划痕型缺陷对光场质量的影响,采用分步傅里叶算法对非线性近轴波动方程进行求解,模拟分析了不同划痕参数(长度、宽度、深度)下,元件内部、光束近场、元件后传输光场以及光束远场的光强分布情况。数值模拟结果表明:随着划痕长度、宽度或深度的增加,元件内部以及元件后传输光场的峰值强度和对比度均会相应增强;光束近场的光强对比度也会略微增大;对于光束远场的强度分布,与划痕宽度方向所对应的频谱能量会不断增强。该项研究工作可以为划痕检验标准的制定提供一定的定量分析依据。     

矩量法研究平面波导点缺陷引起的散射损耗

对平面波导工艺过程里出现的点缺陷,如气泡、灰尘颗粒等对平面波导内光场造成的散射提供了一种简单而又实用的计算方法。计算基于格林函数方法,并利用矩量法求解积分方程,采用分块矩阵优化算法,使得算法的计算时间直接与点缺陷大小相关,提高了效率。证明了一定大小的点缺陷在特定的波长处会产生很大的散射损耗,证明点缺陷的散射损耗依赖于缺陷大小和光学性质而与其在波导中的位置无直接关系。以二氧化硅平面波导为例,分析了对中心波长1．55μm的入射光场,分别存在气泡和灰尘颗粒两种点缺陷时,散射损耗随点缺陷大小的关系特性,指出工艺过程特别应该避免某些孔径的点缺陷。     

光学材料亚表面缺陷处强激光电磁场分布的3维模拟

 利用时域有限差分法求解麦克斯韦旋度方程,研究了光学材料表面缺陷对入射激光场的调制作用,建立了亚表面缺陷的3维模型。以长方体表面缺陷为例,对缺陷附近的光场分布进行了3维数值计算,给出了电场强度3维分布图和缺陷不同尺寸时的最大电场强度。研究表明,相对于2维简化情况,3维表面缺陷对强激光电磁场的调制作用更加明显。     

Statistics of defect trajectories in spatio-temporal chaos in inclined layer convection and the complex Ginzburg-Landau equation

For spatio-temporal chaos observed in numerical simulations of the complex Ginzburg-Landau equation (CGL) and in experiments on inclined-layer convection (ILC) we report numerical and experimental data on the statistics of defects and of defect loops. These loops consist of defect trajectories in space-time that are connected to each other through the pairwise annihilation or creation of the associated defects. While most such loops are small and contain only a few defects, the loop distribution functions decay only slowly with the quantities associated with the loop size, consistent with power-law behavior. For the CGL, two of the three power-law exponents are found to agree, within our computational precision, with those from previous investigations of a simple lattice model. In certain parameter regimes of the CGL and ILC, our results for the single-defect statistics show significant deviations from the previously reported findings that the defect dynamics are consistent with those of random walkers that are created with fixed probability and annihilated through random collisions.     

非线性介质表面缺陷对激光光场的调制

以高斯光束为例,研究了非线性介质表面振幅调制型缺陷对光场的调制。基于广义惠更斯-菲涅尔衍射积分并采用泰勒级数展开方法,建立了高斯光束经过表面存在缺陷的非线性介质后的传输模型,得到了受缺陷调制光束经非线性介质后的光强分布解析式,研究了缺陷尺寸和光束在非线性介质中产生的附加相移大小对光强分布的影响,结果表明介质表面的缺陷尺寸越大,介质内产生的附加相移越大,光场受到的调制越严重。分别考虑了非线性折射率为正值和为负值的情况,研究发现相应的折射率值导致光束发生会聚或发散现象,并由于缺陷调制的作用,在光束传输过程中始终存在一光强极值点,且随着附加相移绝对值的增大光强极值点的峰值也随之增强。     

用于缺陷定量的超声散射信号去相关分析及贝叶斯反演方法

针对结构中缺陷定量识别问题,建立了椭圆缺陷超声散射仿真模型,研究了缺陷偏转角度及尺寸对散射信号去相关特性的影响。结果表明,超声信号去相关系数矩阵与缺陷几何状态(如尺寸及角度)存在很大关联性,但并非线性相关。结合参数化有限元分析与贝叶斯理论,发展了一种基于超声散射信号去相关分析的缺陷反演方法,开展了缺陷反演数值仿真及检测实验。结果表明,发展的缺陷反演方法可以很好实现铝块与铝板缺陷位置及尺寸反演。其中铝块开口缺陷尺寸(深度)反演误差约为激励波长0.2倍,位置误差约为激励波长0.6倍;铝板圆形缺陷尺寸反演误差约为激励波长0.04倍,位置误差约为激励波长0.4倍。研究工作为结构中缺陷定量识别与评价做了有益探索。