环形斑激光束在非线性克尔介质中环半径的偏移现象

对于非线性克尔介质中的环形斑调制光束,通过数值求解非线性Schrdinger方程发现:当入射光强度超过一定值时,光束在传输过程中将发生环半径偏移现象.并对环半径偏移产生的条件、偏移的特点,以及自聚焦焦点上光强度的横向分布与环半径偏移之间的关系进行了详细的研究.     

环形光斑激光束在非线性克尔介质中的分束现象

对于非线性克尔介质中的环形斑调制光束,通过数值求解非线性Schrdinger方程,发现当入射光强度超过一定值时,光束在传输过程中发生分束现象.对光分束的阈值、光分束与环半径及半宽度的关系、分束光的特点,以及自聚焦焦点上光强度的横向分布与光分束之间的关系进行了详细的讨论 关键词： 环形光斑 克尔介质 非线性传输 光分束     

Kerr非线性介质中聚焦像散高斯光束的传输特性

当高功率激光通过Kerr非线性介质传输时,Kerr效应会严重影响激光的传输特性.实际应用中常遇到像散光束.迄今为止,像散光束传输特性的研究大都局限于在线性介质中的传输,而在非线性介质中传输的研究较少,且还未涉及像散激光束通过含光学系统的Kerr非线性介质传输变换的研究.本文主要研究Kerr效应对聚焦光束像散特性和焦移特性的影响,以及聚焦像散高斯光束的自聚焦焦距和光束焦点调控.在光束扩展情况下,推导出了聚焦像散高斯光束在Kerr非线性介质中传输的束宽、束腰位置和焦移的解析公式,研究表明:在自聚焦介质中,随着自聚焦作用增强(如光束功率增强),光束像散越强,但焦移越小;在自散焦介质中,随着自散焦作用增强(如光束功率增强),光束像散越弱,但焦移越大.另一方面,在光束自聚焦情况下,推导出了自聚焦焦距的解析公式,研究表明利用光束像散可以调控光束焦点个数.     

强激光超高斯光束形成的自聚焦环的分裂与抑制

通过数值求解非线性近轴波方程,详细描述了在钕玻璃介质中传输的强激光圆对称超高斯光束形成的自聚焦环,并展示了初始光束受到扰动引起环分裂的现象。对于峰值光强一定的光束,合理地选择其阶数和宽度,可以降低自聚焦成环效应,从而降低因自聚焦环分裂在光束边缘出现的细光束对介质造成的成丝破坏。     

熔石英介质中强紫外激光自聚焦效应研究

 针对脉冲宽度约1 ns、波长为351 nm的三倍频紫外激光，定量分析了熔石英介质中的自聚焦长度、峰值光强与强紫外激光光束质量及环境条件等因素的关系，研究了产生紫外光非线性自聚焦效应的阈值条件。研究结果表明：在强紫外激光光束质量一定的前提下，可将B积分值定义为自聚焦的阈值条件;入射强紫外激光光束质量越差，在熔石英介质中产生自聚焦的阈值条件越低;即使对于空间分布均匀的理想光束，当空气中存在灰尘时，经过一段距离的传输后，在熔石英介质中将导致强紫外激光自聚焦效应的产生，且灰尘尺寸较大时的自聚焦效应较明显,自聚焦的阈值条件也相对较低。     

梯度折射率介质中高斯光束的非线性传输特性

 利用无像差自聚焦理论研究了梯度折射率非线性Kerr介质中高斯光束的传输特性,得到了高斯光束光斑半径和波面曲率半径的表达式。解析结果清楚地表明了衍射、自聚焦以及梯度折射率效应之间的竞争对高斯光束传输行为的影响。梯度折射率效应使光束自聚焦的距离缩短。     

高斯光束在克尔型非线性介质中演化的奇异特性

由光束在克尔型吸收介质中传输的非线性薛定谔方程出发,推导了高斯光束注入介质后满足的耦合方程。在不考虑高阶展开项的前提下,将介质分为无吸收、有吸收两种情况,对脉冲的腰斑半径的演化进行了解析分析,得到注入克尔型非线性介质中的高斯光束,形成“孤波”必须满足光束在束腰处注入,介质没有吸收的条件;当考虑高阶展开项时,通过数值分析发现,无论介质是否存在吸收,光束传输不存在“孤波”形式,而是在注入强度的控制之下。当注入强度较小时,自聚焦过程是它的一个主要结果。但当注入脉冲的强度增加后,除了腰斑半径不为零的区间增加,光束仍保持聚焦的正常现象之外,存在一个阈值。当注入强度超过此阈值时,腰斑半径随着距离的增加而快速增加,聚焦趋势根本就不存在。     

具有电与磁非线性效应超常介质中光束的聚焦特性

基于Drude模型,采用解析法与数值模拟法研究了具有电与磁非线性效应超常介质中光束的聚焦特性。结果表明超常材料中光束聚焦现象不但可以发生在自聚焦非线性介质中(正折射区)而且可以发生在自散焦非线性介质中(负折射区),且光束中心频率离介质的等离子频率越近,其聚焦效应越明显。特别是当电与磁非线性极化率为异号时,超常介质的非线性符号可以通过调控电与磁等离子频率的相对大小控制,这为主动操控光束的传输提供一种新的自由度。     

拉曼效应对负折射介质中超短脉冲传输的影响

通过数值法对包含拉曼延迟响应的(3+1)维非线性薛定谔方程进行求解,研究了超短脉冲激光在负折射介质中传输时拉曼效应对自聚焦传输特性的影响,着重分析其不同与常规介质的反常传输现象.结果表明:由于负的折射率影响,拉曼效应将导致超短脉冲在自聚焦过程中频谱发生蓝移现象,这与常规介质对应情形相反;而它对负折射介质中超短脉冲的自聚焦特性的影响与常规介质相同,即拉曼效应将诱导自聚焦效应首先发生在脉冲的前沿.本文研究工作对将来利用负折射介质来操控超短光脉冲串产生、自聚焦等许多实际应用领域研究具有重要的指导意义.     

双环斑激光束在克尔介质中的自聚焦和光斑分裂效应

实验上发现了双环斑激光束在克尔介质中的光斑分裂效应。理论上,通过数值求解非线性薛定谔方程,发现当输入光斑功率超过100 kW/cm2时,产生光斑分裂和自聚焦效应,该阈值明显小于单环斑激光的自聚焦和光斑分裂阈值。我们认为是双环之间的耦合效应导致了这种结果,并给出了具体分析。     

空间非傍轴激光束在非线性克尔介质中的相互作用

对于非线性克尔介质中的非傍轴双脉冲激光束的传输,通过数值求解修正的非线性Schroödinger方程发现:当入射光强度在一定的能量阈值以上,入射光束的间隔达到一定值时,空间双脉冲激光束在传输过程中会发生相互作用.这种相互作用不同于一般傍轴激光束之间的相互作用,它的作用效果以一束很小的分束光的形式表现出来.文中对这种相互作用的效果进行了报道,并对此做出了理论的解释.     

Cassegrain激光发射系统的光路设计

为了提高激光探测系统激光的发射功率,在出射激光为基模的高斯光束的光路设计中,根据高斯光束经过光学系统的变换与传输特性,分析了系统采用Cassegrain望远镜时,其遮拦比以及入射光束束腰半径对光功率透过率的影响。通过具体的数值计算得出,随着遮拦比及入射光束束腰半径的增大,系统光功率透过率将减小,给出了望远镜遮拦比与发射孔径处光斑尺寸之间的最佳匹配关系,最后讨论了离焦误差（安装误差）为0.2mm时对出射光斑尺寸的影响。     

大数值孔径光子筛偏振特性研究

根据角谱理论建立不同偏振照明条件下的光子筛矢量衍射模型。在此基础上,对入射光分别为线偏振光、径向偏振光、切向偏振光三种特殊偏振状态下的光子筛聚焦光强分布进行了模拟分析。研究结果表明,对于大数值孔径光子筛,入射光的偏振特性将对光子筛聚焦光强分布产生巨大影响。线偏振光将使聚焦光斑沿偏振方向拉伸,切向偏振光产生的聚焦光斑具有"中空"结构,而径向偏振光所产生的聚焦光斑呈较为规则的圆形,且其焦深优于线偏照明情况。在激光直写及高分辨成像等光子筛典型应用中采用径向偏振照明将进一步提高系统分辨力。     

Dynamics of self-focusing and self-phase modulation of elliptic Gaussian laser beam in a Kerr-medium

Using a direct variational technique involving elliptic Gaussian laser beam trial function, the combined effect of non-linearity and diffraction on wave propagation of optical beam in a homogeneous bulk Kerr-medium is presented. Particular emphasis is put on the variation of beam width and longitudinal phase delay with the distance of propagation. It is observed that no stationary self-trapping is possible. The regularized phase is also seen to be always negative.     

射频板条CO2激光器输出光束的光学变换

射频激励板条CO2激光器输出激光近场光斑近似为一条线,远场光斑为O形图样。在垂直于光束传输方向的平面内,光束在一个方向发散很大,无法用于激光加工。根据激光器不同的激光功率级别及光束尺寸,分别采用了圆柱面镜、滤波光阑、扩束望远镜等不同组合的方法,将200 W激光器输出光束变换成远场光束为Φ6、近似TEM00模的圆形光束,500 W激光器远场光束为Φ10的低阶模的圆形光束。成功用于激光切割。     

连续激光辐照ZnSe/MgF2/K9滤光片的透射特性研究

 分析了连续激光辐照ZnSe/MgF₂/K9滤光片引起透射特性的变化。在室温条件下，用波长0.632 8μm激光作为探测光束，测量了1.06μm连续激光辐照ZnSe/MgF₂/K9滤光片温升引起薄膜折射率的改变，导致探测光束通过干涉滤光片后透过率的热致非线性变化。在光斑直径0.75mm条件下，测量了不同功率激光辐照ZnSe/MgF₂/K9滤光片引起温升随时间的变化。在激光功率30W，辐照时间2.52s条件下，实验观测到ZnSe/MgF₂/K9滤光片薄膜破坏温度约为90℃，辐照时间10s时干涉滤光片形成的薄膜龟裂形貌。     

高光束质量、高功率稳定性激光器的设计及实验研究

高光束质量、高功率稳定性激光器在激光加工、激光测量等领域具有广泛的用途.为了实现激光器腔内光斑聚焦同时减少色散和体积,人们常常将曲面反射镜用在激光谐振腔中,但光束倾斜入射到曲面反射镜往往会引起像散,从而导致光斑质量恶化,并降低激光器的性能.另一方面,在高功率激光器或超短脉冲激光器中,激光增益介质热透镜焦距的起伏,是导致激光输出功率波动的主要原因之一.针对激光器的像散和功率波动这两个问题,本文提出了一套简单高效的解决方案,在考虑像散补偿和热透镜效应的基础上,基于传播变换圆理论,首次提出一种可实现高光束质量、高功率稳定性激光器谐振腔的设计方法,并对采用该方法所设计出的超短脉冲激光器进行理论与实验研究.研究结果表明,利用该方法设计的激光谐振腔,两端臂像散能够完全被补偿,实验上实现了基模高斯光束输出;当激光晶体热透镜焦距改变时,该方法所设计出的激光谐振腔内各关键位置光斑半径的变化,显著地小于普通谐振腔,在相同外界条件下,其输出激光功率稳定性明显优于普通激光器.     

图像处理在光路自动准直系统中的应用

光路自动准直系统应用于惯性约束聚变的高功率激光装置中的光束自动调整。图像处理是光路自动准直的关键技术之一。针对神光Ⅲ原型装置,结合阈值化、重心法、中值滤波和圆拟合等多种不同的图像处理方法设计了一套合理的准直方案,并且在模拟实验平台上进行了实验验证。实验结果表明,光路自动准直系统能够在15min之内顺利完成光路的自动调整,光束近场调整精度优于近场光斑的±0.5%,光束远场调整精度≤±0.3″,满足了原型装置的总体要求。