基于涡旋光束的超快速角向集束匀滑方案

针对惯性约束聚变装置对激光集束辐照均匀性的需求,提出了一种基于涡旋光束的超快速角向匀滑方案,即利用螺旋相位板使2×2集束中的两子束由超高斯光束变换为涡旋光束,而其余两子束不变,进而通过对子束偏振态和中心波长的调控,使集束中的涡旋光束和超高斯光束在靶面两两相干叠加.相干叠加后的焦斑以皮秒量级为周期超快速旋转,从而在极短时间内快速抹平焦斑强度调制,改善靶面辐照均匀性.通过建立基于螺旋相位板的激光超快速角向集束匀滑方案的物理模型,分析了其角向匀滑特性,并与光谱角色散技术和径向匀滑技术进行了比较分析.结果表明,这一新型激光集束匀滑方案能实现对焦斑的超快速角向匀滑,且能在数皮秒时间内达到最佳辐照均匀性.     

基于宽带激光拍频的瞬时束匀滑技术

针对高功率激光装置对靶面辐照均匀性的需求,提出了一种基于宽带激光拍频的瞬时束匀滑技术。激光集束采用宽带激光,利用连续相位板对焦斑包络进行控制,并结合共轭螺旋相位板使得集束中各子束在焦平面处拍频产生旋转周期不同、位置各异的快速运动散斑。合理选择宽带光参数可使得散斑的旋转周期在皮秒至亚皮秒量级,从而达到瞬时匀滑焦斑的目的。通过建立基于宽带激光拍频的瞬时束匀滑技术物理模型,模拟分析了关键参数包括激光带宽和谱线类型对焦斑束匀滑特性的影响和规律,并与双频单色激光拍频技术作了比较分析。研究结果表明,通过合理选取光源谱线类型或增大激光带宽,所提技术可在降低系统要求的基础上增强对激光等离子体不稳定性的抑制,使焦斑实现瞬时匀滑并获得较好的均匀性。     

基于双开口谐振环超表面的宽带太赫兹涡旋光束产生

提出了一种基于双开口谐振环单元结构超表面的太赫兹宽带涡旋光束产生器.该结构由金属-电介质两层构成,位于顶层的是基于双开口谐振环单元结构的超表面,底层为介质层.对单元结构阵列进行数值仿真,圆偏振的入射光可以被转换成相应的交叉偏振透射光,通过旋转表层金属谐振环,可以控制交叉偏振透射光具有相同的振幅和不同的相位.这些单元结构按照特定的规律排列,可以形成用以产生不同拓扑荷数的涡旋光束的涡旋相位板.以拓扑荷数1和2为例,设计了两种涡旋相位板,数值分析了圆偏振波垂直入射到该涡旋相位板生成交叉圆偏振涡旋光束的特性.结果表明,在1.39—1.91 THz的频率范围内产生了比较理想的不同拓扑荷数的涡旋光束,且透过率高于20%,最高可达到24%,接近单层透射式超表面的理论极限值.     

大气湍流和热晕综合效应下旋转光束的传输特性

旋转光束指的是一类由拓扑荷数不同的涡旋光束经外差干涉产生的,光强、相位或偏振随时间快速旋转的新型光束.旋转光束在大气通道传输时因其光场随时间快速旋转可遍历大气传输路径上的不均匀性,使得大气湍流和热晕等效应引起的相位畸变在旋转方向得到匀滑,从而达到改善光束质量,提升光束质心稳定性的目的.在考虑大气湍流和热晕综合效应的情况下,建立了旋转光束在大气的传输模型,分析了旋转光束如何缓解大气湍流和热晕效应的物理机制.在此基础上,进一步分析了光束旋转频率和子光束功率比值,以及大气湍流和热晕强度等对旋转光束大气传输特性的影响及规律,从而为激光大气工程应用提供参考.     

基于光学涡旋相移技术的离面位移测量

设计了基于光学涡旋相移技术的离面位移测量实验方案,实现了电子散斑干涉中相移的数字控制.该方法利用输入液晶空间光调制器中的叉形光栅产生涡旋光束,通过涡旋光束绕轴的旋转产生相移;同时,产生的涡旋光束又作为参考光与物光干涉.实验中,在物体发生离面位移前后依次输入四幅叉形光栅,产生相移步长为π/2的涡旋光束,利用CCD获得涡旋光与物光的干涉光场,从而获得离面位移场的包裹相位;再通过解包裹,获得物体离面变形的相位变化.光学涡旋相移法可应用于离面位移测量.     

矢量涡旋光束的模式连续可调生成技术

矢量涡旋光束是一种新型的结构光束,具有横截面各向异性分布的偏振态,同时携带有轨道角动量。矢量涡旋光束的这些独特性质使得其在光通信、光镊、激光加工等领域具有重要的应用价值。对于不同的应用,所需的矢量涡旋光束的偏振态、相位分布不同,因此偏振、相位模式连续可调的矢量涡旋光束的生成系统是矢量涡旋光束应用的重要基础。报道了本课题组在矢量涡旋光束生成方面的工作,主要介绍了腔外模式连续可调的矢量涡旋光束的生成方法,以及矢量涡旋光束阵列的生成方法。     

基于束间动态干涉的快速匀滑新方法

针对高功率激光装置中靶面辐照均匀性的高要求,提出了一种利用束间动态干涉改善辐照均匀性的快速匀滑方法.基本原理是利用共轭相位板阵列对存在一定波长差的多束激光附加相位调制,从而使各子束在远场两两相干叠加以产生动态的干涉图样,进而引起焦斑内部散斑的动态扫动,在ps时间内抹平不均匀性.以典型惯性约束聚变装置中的激光集束为例,通过建立基于束间动态干涉的快速匀滑物理模型,定量分析了相位板类型、相位调制幅度和束间波长差等因素对焦斑动态干涉图样的影响及规律,进而对其束匀滑特性进行了讨论.结果表明,基于束间动态干涉的快速匀滑方法可以有效地实现多方向、多维度的焦斑内部散斑快速扫动,且通过与传统束匀滑技术的联用,可以在更短的时间内达到更好的焦斑均匀性.     

径向偏振高阶贝塞尔-高斯涡旋光束的传输及其偏振特性

理论和实验研究了径向偏振高阶贝塞尔-高斯涡旋光束在自由空间传输的光强分布和偏振特性.数值计算表明,在无衍射区域,随着传输距离的增加,光强分布基本保持不变;对于零阶光束,其偏振态一直保持径向偏振不变;对于高阶光束,其偏振态发生变化,由初始的径向偏振逐渐变为椭圆偏振和线偏振的杂化状态.实验上,利用径向偏振转换器、螺旋相位板和轴棱锥元件产生了径向偏振高阶贝塞尔-高斯涡旋光束,探测了其通过不同偏振片后的光强分布.实验结果与理论结果基本相符合.该研究也提供了一种产生杂化偏振矢量光束的方法.     

用四台阶相位板产生涡旋光束

涡旋光束的产生与应用是当前光学领域的研究热点. 利用傅里叶级数展开法分析了四台阶相位板的相位结构, 发现四台阶相位板可看作是由一系列不同拓扑荷数的螺旋相位板所组成, 用线偏振光直接照射相位板时, 将产生多级衍射光波, 各级衍射光均为不同拓扑荷数的涡旋光波, 由于多级衍射光波间的干涉导致光强分布偏离轴对称分布, 因而与涡旋光波有一定差距. 在此基础上, 提出了用四台阶相位板产生涡旋光束的新方案, 借助于Mach-Zehnder 干涉仪光路, 两块四台阶相位板产生的衍射光干涉叠加, 通过调节干涉仪光路的相位差, 使一部分衍射级干涉相消, 另一部分衍射级干涉相长, 相互加强, 从而把线偏振光转换为涡旋光束. 数值模拟计算了几种周期数不同的四台阶相位板衍射光强和角动量分布, 并与螺旋相位板进行比较, 证明用简单的四台阶相位板不仅能够获得与用螺旋相位板相同的涡旋光束, 而且可以用周期数较小的四台阶相位板产生具有大拓扑荷数的涡旋光束, 降低了制作相位板的难度.     

基于高次谐波产生的极紫外偏振涡旋光

突破传统涡旋光场束缚,发展短波极紫外涡旋光场是实现阿秒脉冲偏振控制的有效途径.本研究利用自制的平场光栅光谱仪和超快时间保持的单色仪,以800 nm,35 fs高斯或具有偏振奇点的涡旋光脉冲驱动诱导氩原子产生高次谐波,分别获得相应的高次谐波光谱以及谐波谱单阶光源的分布.实验结果表明,基于高次谐波产生实现近红外波段的涡旋光束特性转移到极紫外波段,优化后的极紫外涡旋可以实现每秒108光子数输出.同时发现极紫外波段的涡旋场和高斯场高次谐波产生具有相似相位匹配机制.基于高次谐波产生的极紫外波段的偏振涡旋光为探究和操控原子分子量子态的含时演化动力学以及形成阿秒矢量光束提供了重要的方法和技术手段.     

基于低相干光的阵列透镜束匀滑技术研究

基于激光加载的材料状态方程的实验研究对靶面光强分布的均匀性及稳定性提出了极高的要求,靶面光强的上述两大特性在很大程度上决定了实验结果的精度和可重复性.本文针对传统窄带高相干激光装置在激光加载材料状态方程实验中表现出的靶面光强均匀性和光强分布稳定性两方面可能存在的问题,提出了基于宽带低相干激光,利用消衍射阵列透镜联合诱导非相干技术的束匀滑方案,并重点分析了波前相位畸变对靶面不均匀性及稳定性的影响.模拟结果表明,该方法明显降低了靶面不均匀性,提高了对波前相位畸变的包容度,获得了均匀、稳定的光强分布.统计分析显示,焦斑强度分布极差和不均匀性与波前相位畸变均方根梯度相关性较强.因此,可以根据统计结果以及实验对焦斑强度分布的要求,给出波前相位畸变的容差范围,对状态方程实验中激光驱动器参数的设计与优化具有指导意义.     

半外腔微片Nd∶YAG正交偏振激光器及其在精密测角中的应用

设计了一种半外腔微片Nd∶YAG正交偏振双频激光器。把2个1/4波片置于激光谐振腔内,一个静止,一个作360°旋转,旋转引起2个1/4波片快轴之间的角度变化被激光器转化成激光2个频率之差的变化,从而输出可调谐的双频激光。采用琼斯矩阵对光在腔内的本征模进行分析,给出了双频频差的理论解释。讨论了一种体积小、分辨率高和可整周测量的新型Nd∶YAG激光测角仪的潜在前景。     

A 5 MHz beat frequency He–Ne laser equipped with bireflectance cavity mirror

A He–Ne dual-frequency laser equipped with a bireflectance cavity mirror is described. It is based on the principle that when the incident light is perpendicular to the bireflectance cavity mirror, the phase delays of the reflective light along the mirror's fast and slow axes are different because of the photoelastic effect. The mode coupling is reduced by utilizing transverse Zeeman effect so that two linear and orthogonal polarization components with 5 MHz beat frequency are generated. The effect of the magnetic field's direction on the dual-frequency as well as the polarization property of the laser are investigated by experiments. After stabilizing the frequency, the laser is calibrated with the iodine frequency stabilization laser of Chinese National Institute of Metrology (CNIM). Experimental results indicate that the expanded uncertainty of wavelength in vacuum is 1×10⁻⁷ (k=3) with a frequency stabilization of 6.6×10⁻¹⁰ (sampled in 1000 s).     

激光间接驱动球形腔新型光路排布方案

针对激光间接驱动装置中的六端注入球形靶腔结构,提出了新型光路排布方案,即单端集束分两环注入(内环注入角度为35°、外环注入角度为55°).为了对激光集束在球形腔壁上的辐照特性进行评价,提出了利用光通量对比度和FOPAI来评价单集束在球腔壁上光斑的均匀性,以及利用离散度和占空比来评价全部集束在球腔壁上光斑分布的均匀性.结果表明,新型光路排布方案与传统光路排布方案相比,集束在腔壁上的辐照特性保持一致,不仅可缓解在激光注入孔处的"堵孔"问题,而且还可避免传统光路排布方案中集束以小角度入射时在腔内传输所导致的复杂交叉重叠问题.新型光路排布方案可为球形腔结构在激光间接驱动装置中的方案设计提供有用参考.     

Zeeman双频激光器频率分裂与纵模间隔变动一致性分析

激光谐振腔内相位各向异性会引起频率分裂,两分裂模的频差大小由表现出的相位延迟所决定.对于腔内相位延迟较小的He-Ne激光器,两分裂模很接近,处于烧孔重叠区,存在模式竞争而不能同时振荡,形成隐频率分裂.同时,使得激光器两正交偏振方向上的相邻级纵模产生固定的变动量,其大小等于隐频率分裂量的2倍.如果沿激光偏振方向施加横向磁场,Ne原子谱线发生横向Zeeman分裂,增益原子分成两群,分别为平行于磁场和垂直于磁场方向偏振的光提供增益,大大减弱模竞争,使得激光器的两分裂模可同时振荡并测得频差.在谐振腔内放入倾斜的石英晶体片或半波片,由两种方法分别测量频率分裂量并进行比较.实验表明两种方法测量的结果均与理论计算相符,平均相对偏差不超过1%.据此可以准确得到Zeeman双频激光器的频差大小,并为半波片测量提供了新方法.     

受激旋转喇曼散射效应对强紫外激光聚焦特性的影响

采用Maxwell-Bloch-Langevin 方程,建立了强紫外激光在空气传输中的瞬态受激旋转喇曼散射（SRRS）效应模型；利用相位均方根（RMS）梯度描述的随机相位屏表示低频相位畸变,用扰动幅度表征的随机相位屏描述中、高频相位畸变,建立了相位畸变模型.讨论了强紫外激光在空气长程传输中所产生的受激旋转喇曼散射（SRRS）效应对其聚焦光斑形态的变化,定量分析了焦斑半径随入射强紫外激光的空间相位畸变及传输距离的变化.研究结果表明：当传输距离超过阈值条件时,焦斑半径随传输距离的增大而明显增大,且相位畸变越大,焦斑半径也越大.     

The correlation between frequency difference and mode polarization in an intracavity birefringent dual-frequency laser

We discuss the correlations between the measured lasing-mode frequency difference and the mode polarization angle in an intracavity birefringent dual-frequency laser. The frequency difference and polarization are adjusted by rotating an intracavity quartz crystal through a large angular range. We propose two kinds of frequency difference: the equal-order frequency difference and the adjacent frequency difference. By measuring the equal-order frequency difference versus the quartz crystal rotation angle, the real physical process behind frequency splitting is revealed. Based on this, the adjacent frequency difference curve is also obtained. The emitted laser beam polarization angle is also measured for large rotations of the intracavity quartz crystal. These measurements reveal the complete process of optical activity in frequency splitting and allow us to predict the trends of frequency difference and polarization angle for large quartz crystal rotation angles. We analyze the correlations between the equal-order frequency difference and the polarization angle based on the experimental results, which show that the certain points on the two curves are inter-related. The principal results agree well with the optical theory of crystals.     

A novel orthogonal polarized dual-frequency laser using a Y-shaped cavity

In this paper, we propose and demonstrate a novel dual-frequency He-Ne laser based on a Y-shaped cavity. The laser uses a polarization beam splitter to produce two orthogonal polarized beams that oscillate simultaneously in different sub-cavities. The different optical lengths of the cavities produce two longitudinal mode series with different mode spacing. In our experiments, a frequency difference between two orthogonal polarized lights ranging from 26 to 665 MHz was observed by changing the voltage applied to the piezoelectric transducer attached to the mirror of P polarized sub-cavity. The lock-in frequency difference is about 26 MHz. The competing processes were also investigated.