高功率超短脉冲激光的远场描述方法

 以随机统计和数值模拟为研究手段，对高功率超短脉冲激光的远场描述方法进行了分析研究。结果表明：对理想超高斯光束，半高全宽内包含的能量百分数最大不超过70%，且随着阶数增大而逐渐降低。在光束质量较好时，远场焦斑的半高全宽基本保持不变。由焦斑的半高全宽计算得到的聚焦功率密度，与半高全宽之间没有明确的关系，但与Strehl比以及半高全宽内包含的能量之间具有明确的线性增长关系。对追求高的功率密度的激光脉冲，单纯用半高全宽或者几倍的衍射极限来描述远场是远远不够的，用Strehl比或者半高全宽内包含的能量百分数来表征功率密度更为恰当。     

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.     

强聚焦条件下连续位相板散斑特性的矢量分析

连续位相板(CPP)经过透镜聚焦后,在焦平面上形成一个散斑场,散斑场的统计性质决定了CPP的束匀滑特性。当使用大数值孔径透镜聚焦后,傍轴近似不再成立,因此分析CPP焦斑特性时标量衍射理论不再适用。采用Richard-Wolf矢量衍射理论对强聚焦条件下的CPP焦斑进行了计算,在此基础上分析了矢量焦斑场的统计特性,讨论了焦斑的轮廓。结果表明,由于非近轴的原因,矢量分析得到的焦斑尺寸略大,且通过矢量分析后能够得到z轴方向的光场分量。散斑场的振幅分布满足瑞利分布特性,强度分布满足负指数分布特性,且矢量合成方向的光强分布会略微偏离负指数分布特性。     

采用啁啾脉冲堆积的时间束平滑技术

成丝不稳定性是间接驱动靶丸均匀压缩面临的重要问题,10μm到100μm的靶面光强起伏对其影响尤为严重,须采用合理的束平滑措施加以抑制。提出用光纤系统对啁啾脉冲堆积,然后对组合脉冲做光谱角色散,利用焦斑不同时刻对应频谱成分不同形成的束平滑机制,抑制焦斑内的高频起伏。利用傅里叶变换方法推导出了光栅色散后的组合脉冲表达式。模拟结果表明,焦斑尺寸随色循环数和光栅色散方向上基准脉冲带宽的增加而增大。通过计算包含焦斑能量95%范围内的通量衬比度随时间变化的曲线,得出一个色循环、基准脉冲带宽0.3~0.5 nm下可以获得最佳的焦斑平滑效果。这种新型的时间束平滑方法结构简单且焦斑特性可调,这些优点使得它在提高靶面辐照均匀性方面具有重要的应用价值。     

小平坦波面光场的衍射与准直特性

根据惠更斯-菲涅耳原理、空间频谱理论、能量守恒定律推导出一个波面为平面的小衍射源远场衍射积分公式的倾斜因子,给出一个衍射远场半球面上光场分布的计算表达式。根据满足正弦条件的准直物镜对光波波面的变换特性,给出小平坦波面光场的准直光场计算表达式,并以简单直角坐标偏振和简单柱面坐标偏振的高斯光束变换特性为例说明了该公式的应用。     

连续相位板面形的随机特性研究

根据连续相位板面形分布的随机特性,利用自相关函数和相关长度对其面形特性进行了分析.采用一个高斯型随机分布函数推导了相关长度与连续相位板远场分布之间的解析关系.利用数值算法计算了连续相位板远场分布的方差和能量利用率,并计算了不同的相关长度对连续相位板远场分布的具体影响.结果表明,连续相位板的相关长度越小,远场分布均匀性越好,焦斑形态更加接近于目标焦斑,同时具有较高的能量利用率.     

轴棱锥产生无衍射光束自再现特性的几何光学分析

由几何光学方法分析轴棱锥产生无衍射光束自再现特性,很好地解释了无衍射光束自再现的形成原理.在菲涅耳近似条件下,利用菲涅耳衍射理论可以对光传输进行很好地描述;而光束经过障碍物后的很小距离内,菲涅耳衍射近似条件已不满足,衍射理论不再适合描述光束的传输特性,这时可以利用几何光学分析光束传输特性.首先从几何光学角度对轴棱锥产生无衍射光束的自再现特性进行了详细的描述,并对光束传输进行仿真,最后通过实验验证轴棱锥产生无衍射光束的自再现特性,实验结果与理论分析相符合. 关键词： 无衍射光束 几何光学 轴棱锥 自再现     

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.     

多光束激光相干合成控制模型建立及效果分析

利用阵列反射镜面的三维调整(绕y/x轴旋转和沿z轴平动)可实现多路光束间的相位差校正和焦斑定位。基于此建立了2×2光束相干合成控制模型,并采用光学追迹和衍射计算求解模型,计算得到旋转±0.5μrad,平动±105.3 nm的调整精度。在精度范围内进行蒙特卡罗误差分析,比较了平面波和非平面波入射条件下的系统性能,并对对称结构光束布局进行了统计分析。结果表明,对称结构可有效提高远场焦斑直径20μm环围功率比的统计平均水平。对大型高功率固体激光装置实现相干合成提高输出功率水平具有重要意义。     

动态聚焦中小焦斑的波前判据

在直接驱动中, 由于靶丸在内爆过程中不断压缩变小, 激光束的初始焦斑与压缩后的靶丸不再匹配, 导致能量从靶丸边缘流失. 光学动态聚焦是指在靶丸压缩变小的过程中, 动态减小辐照焦斑的尺寸, 这对提高光束与靶丸的耦合效率有着非常重要的意义. 靶丸压缩后期小焦斑的实现条件是解决光学动态聚焦的首要问题. 根据光的全频段传输规律, 本文采用构造低频和中高频波前畸变源的方法, 在不同目标焦斑的束匀滑条件下, 分别给出了小焦斑尺寸与低频波前、中高频波前的定标关系, 作为小焦斑实现方式的波前判据. 根据波前判据即可找出要实现不同的小焦斑需对低频和中高频波前畸变矫正控制的范围. 关键词： 直接驱动 光学动态聚焦 波前畸变 焦斑尺寸     

实现光束变换的连续位相衍射光学器件的研制

本文利用基于模拟退火法和爬山法相结合的混合优化算法,实现光束变换的连续位相衍射光学器件的设计。通过灰阶掩膜板及离子刻蚀工艺,研制了 Φ１００ｍ ｍ 的连续位相衍射光学器件。通过多级衰减片及ＣＣＤ 实现了焦斑光强分布测量。测量结果表明：边缘陡峭、旁瓣小、中心主瓣具有一定均匀性,且没有中心零级锐脉冲的焦斑光强分布     

Diffractive optical elements with a double identical microstructure for determination of statistical parameters of random phase objects

Physical processes of interference pattern formation in partially coherent and coherent optical systems containing special diffractive optical elements with a double identical microstructure are studied in the case when a thin scattering object is present in the optical system. Methods for determining the spatial coherence function of the light field, the autocorrelation function of transmission of random phase screens, and the statistical parameters of the screens are considered.     

衍折射设计用于均匀照明的衍射光学器件

 在工艺上衍射光学元件是通过相位板来实现的,由于其多台阶化产生的不连续性,会对目标光场产生sinc调制,产生高级次衍射斑,损失了15%或者更多能量。通过对设计衍射光学器件的传统的IO迭代算法进行了研究,提出了一种与衍折射相结合的设计方法,在衍射光学器件的部分区域形成一块连续相位区域,减少了相位片台阶化区域的光强和衍射斑的强度。通过逐步变化连续相位对输出光强情况的影响的研究,可以优化相位参数,使入射到输出面的光束保证一定匀滑性的前提下,提高目标光场区域的衍射效率达到90%以上,能够满足均匀照明的要求。     

Large aperture continuous phase diffractive optical element to realize uniform focal spot

Uniform focal spot, with flat top, steep edge, low side lobe and high light efficiency, is required in many high power laser system. Using diffractive optical element (DOE) to realize such uniform illumination has many advantages, such as high light efficiency of pure phase modulation, strong flexibility of phase design and so on. A kind of hybrid algorithm based on hill-climbing and simulated annealing is utilized for phase design, owing to the strong convergence of the hill-climbing and the global optimization potential of the simulated annealing. A continuous phase DOE with diameter 100 mm has been fabricated by a rotating hollowed-out mask and ion-etching on the K9-glass substrate. The interferogram of the DOE is given to show the smoothness of the phase distribution. The intensity distribution of the focal spot are measured by a general CCD, and a series of attenuators are used to increase the dynamic range of the measurement. The results after data-processing show that the uniform focal spot with certain uniformity at the main lobe, sharp edge, low side lobe and without sharp peak at the zero order has been obtained.     

Sub wavelength multiple focal spot generation of high NA objective lens using diffractive optical element

In this article, based on the vector diffraction theory, the effect of specially designed phase modulating optical element by means of an incident tightly focused azimuthally polarized Bessel Gaussian beam in the focal region of high NA lens is investigated numerically. It is observed, that a specially designed diffractive optical modulation element (DOE) can generate multiple focal spot segment of transversely polarized in the focal region by controlling the angles of DOE. Such kind of sub wavelength transversely polarized focal spots segment may find wide applications in multiple optical traps and optical manipulation technology.     

小F数衍射微透镜阵列光学性能研究

本文基于小光点扫描,在国内首次提出了一种测试小F数衍射微透镜阵列光学性能的方法.利用光通信用半导体激光器和探测器建立了一套测试系统,并对所研制的大阵列,小单元尺寸的多相位菲涅耳衍射微透镜阵列的衍射效率和点扩散函数进行了测试.结果表明,衍射微透镜实际衍射光斑比理论衍射受限光斑扩展不大,8相位和16相位石英微透镜的衍射效率分别高达80.2%和87.5%,说明本实验室对多相位的设计理论和制作工艺已基本掌握,满足应用的要求.     

方形单元衍射光学阵列器件实现近圆形均匀焦斑

本文以方形激光输入、圆形均匀焦斑输出为例,分析比较了整体式和阵列式衍射光学器件获取圆形均匀焦斑的能力.通过在阵列式器件方形单元间附加线性相移来改变各子焦斑的相互位置、重叠区域,从而逼近于一定直径的近圆形均匀焦斑.该方法将二维问题转化为一维,减少计算量.采用基于爬山法与模拟退火法相结合的混合算法设计相位分布.结果表明了该方法的有效性,并具有获得任意形状均匀焦斑的灵活性。     

衍射光学元件设计参数对束匀滑衍射效率的影响

经过理论推导,分析了320 mm口径衍射光学元件在束匀滑实验中光强分布出现高级次衍射斑和元件实际衍射效率变低的原因,模拟计算得到了接近实验的光强分布。模拟分析发现:通过调整设计参数,如适当增加抽样点数,使设计时焦斑主瓣占输出计算窗口的比例减小至0.2以下,可以大大降低由于高级次衍射斑造成的衍射效率损失,控制在2%以内,使台阶分布式相位片实际衍射效率得到提高,在对口径为70及320 mm的台阶分布式相位片样品测试中得到了验证。     

湍流大气传输中跟踪抖动对远场影响的仿真研究

分析了跟踪抖动对湍流大气传输远场光斑的影响。基于麦克斯韦电磁场理论,采用大气相干长度对大气湍流进行描述,推导了发射光束因跟踪抖动导致光轴偏离的远场表达式。在此基础上,利用相位屏法模拟抖动引起的倾斜相位和大气折射率起伏引起的相位调制,并采用低频补偿的功率谱反演法对传输过程进行了数值仿真。分析了不同跟踪抖动、湍流强度条件下远场光斑质心脱靶量的变化,以及不同尺寸模拟目标的回波概率。分析结果表明,在传输距离为10 km时,强湍流造成的远场光斑脱靶量可达几十μrad;当跟踪抖动较大时,湍流强弱对脱靶量影响差别很小。最后,对一定尺寸的模拟目标,从探测回波概率的角度给出了发射系统跟踪抖动量的控制范围。