局域体全息光栅衍射的平面波与柱面波的波前转换研究

利用一维耦合波理论研究了入射方向相互垂直的一束平面波与一束柱面波干涉形成光折变局域体全息光栅的波前转换情况。给出了透射波和衍射波振幅的解析表达式。讨论了该局域体全息光栅的几何尺寸以及全息透镜的焦距对光栅衍射效率的影响。结果表明,随着光栅横向尺寸的增加,光栅的衍射效率也逐渐增加。然而,光栅的衍射效率却随着光栅纵向尺寸的增加而减小。全息透镜的焦距越长,光栅的衍射效率也越大。此外,分析了光栅的布拉格选择特性,该光栅具有非常好的角度选择特性。在平面波与柱面波干涉形成全息透镜的设计中,为了获得最优的衍射效率,应当根据要求合理地选择记录所用柱面波和设计光栅的几何尺寸。     

整体X光透镜性能实验研究

利用高计数率探测器和低功率光源,在大的能量范围内,同时测量了整体X光透镜的传输效率和焦斑直径与能量的关系。实验结果表明：透镜的焦斑直径随着能量的升高而减小;对04-5-10-5透镜而言,在高于5．8keV的能量范围内,透镜的传输效率随着能量的升高而降低,在低于5．8keV的能量范围内,透镜的传输效率随着能量的升高而增加。通过测量不同能量的X射线在透镜会聚光束中的空间分布,研究了短出口焦距透镜的光晕现象,光晕会导致透镜焦斑直径增大和传输效率测量值的增加。利用轴向扫描法研究了整体X光透镜出口焦距和能量的关系,实验结果表明：会聚透镜的出口焦距随着X射线能量的升高而增加。     

整体毛细管X射线半会聚透镜在微区EXAFS分析技术中的应用

利用整体毛细管X射线半会聚透镜对同步辐射X射线进行聚焦, 经透镜会聚的微焦斑直径在10μm量级, 焦斑位置处的功率密度增益在10³量级. 在5.5—11.5keV能量范围内, 透镜焦斑直径由38μm变为29μm, 透镜传输效率由26.1%变为20.5%, 焦斑的中心位置移动了3μm; 透镜的出口焦距变化了155μm. 在上述透镜性能研究的基础上, 研究了该微焦斑同步辐射在微区EXAFS(Extended X-ray Absorption Fine Structure)分析技术中的应用.     

利用严格模式理论分析光栅透镜的衍射特性

光栅透镜因其独特的光学性能而具有广泛的应用.根据光栅透镜的线宽和间距微小渐变的特点,建立了光栅透镜的物理模型,并利用严格模式理论对其衍射特性进行分析.该方法物理概念清晰、公式简洁.对光栅透镜实现谐波分离、聚焦功能时的衍射效率与槽深关系的计算结果表明,其计算速度快、数值计算结果准确可靠.并对加工误差的影响进行了模拟计算,说明了在当前的微细加工的工艺水平条件下,能够制作出满足ICF系统要求的光栅透镜.实验上制作了尺寸为100 mm的大面积光栅透镜,其衍射效率的实验测试结果与理论计算结果一致.     

球透镜的衍射焦斑强度分布研究

根据国内外光通信耦合器件发展的趋势,研制了一种新型玻璃,依靠液体表面张力的作用,首次采用槽沉法来制备球透镜,得到了理想的效果。通过对直径为0.8mm的球透镜的焦斑强度分布进行研究,结果表明:当通光孔径分别为0.2mm,0.4mm和0.8mm时,球透镜的衍射焦斑强度的分布分别为0.2μm,0.4μm和1.0μm。因此,伴随着通光孔径的增加,球透镜的衍射焦斑强度分布增大,衍射的强度减小。     

散焦光栅测量光束漂移的光路设计仿真

传统的光束漂移量测量系统利用近、远场测量设备分别测量光束的平漂量和角漂量,结构复杂、实时性低。散焦光栅焦平面处正、负一级衍射斑的位置变化可同时反映光束的平漂量和角漂量,为验证该理论、搭建简化的测量系统需要对光路设计进行仿真。基于散焦光栅的成像机理,利用Matlab软件构建了光束通过散焦光栅的成像模型,仿真结果与理论分析一致;最后对光栅和透镜等不同光路设计参数与最大漂移量测量幅值的关系进行了模拟。结果表明,在成像单元约1 cm2、短焦透镜焦距约12 cm的条件下,为实现漂移量测量精度和可测幅度的最大化,散焦光栅需要离轴15 mm,散焦光栅与短焦透镜的焦距比为6。     

用于光谱合束技术的透射光栅设计与优化

设计并制作了一种亚波长透射光栅,利用该光栅实现了半导体激光阵列光谱合束。基于严格耦合波理论,对光栅占空比、脊高和周期等进行了设计,模拟了不同结构参数对光栅衍射效率的影响,从而实现了光栅衍射效率的优化。理论计算表明,优化后的光栅对940nm激光的-1级衍射效率可达92%。实验结果表明,激光阵列光谱合束后,输出功率为46.2 W,光束质量为3.9mm·mrad。     

利用整体毛细管X光透镜会聚同步辐射

利用整体毛细管X光透镜和超环面镜的组合会聚了同步辐射.在8keV能量点, 利用超环面镜, 将面积为2.3×26mm²、竖直发散度和水平发散度分别近似为零和1.1mrad的光束会聚为面积为0.9×0.3mm²、水平和竖直 发散度分别为1.4mrad和0.1mrad的束斑, 然后利用整体毛细管X光透镜将上述束斑会聚为直径为21.4μm的焦斑, 焦斑处单位面积上的强度(功率密度)增益为59, 焦距为13.3mm, 该整体毛细管X光透镜在8keV能量点, 对上述 束斑的传输效率为7.9%     

基于亚波长高对比度光栅的波前调控器设计

基于严格耦合波分析法分析了亚波长光栅波前调控的方法,设计了具有凸透镜、锥透镜和闪耀光栅功能的三种亚波长光栅结构,以平面方式制备了具有聚焦和闪耀效果的三种微纳结构波前调控器.计算了不同光栅厚度、光栅齿和光栅槽宽度下的光栅透射率,通过选择合适光栅参数组合,得到三种波前调控器透射率均在97%以上.硅基平面结构与常规结构器件性能相比,平面和常规透镜、锥透镜在聚焦效果上,焦斑的半高全宽近似相等,峰值强度提高了1.64和2.35倍;平面相对常规闪耀光栅的峰值强度提高了3.77倍.     

多层嵌套式X射线聚焦光学器件

针对X射线脉冲星导航与X射线空间通信的需求,对多层嵌套式X射线聚焦光学器件进行研制与实验标定。根据掠入射原理,对聚焦透镜进行理论设计,确定聚焦透镜的关键参数。讨论聚焦透镜的材料、镀膜等研制工艺。分别在可见光与X射线条件下测试了聚焦透镜的性能参数。结果表明测得可见光焦斑直径为14mm,X射线焦斑直径为20mm,在10m真空管道中测得光子能量为1.5keV时聚焦效率为30.2%,有效面积为2400mm2。     

Surface Emitting THz Wave Parametrical Oscillator Using MgO：LiNbO3

Room-temperature operation terahertz （THz） wave source is demonstrated using three MgO：LiNbO3 crystals which have a noncollinear arrangement. The experimental results show that the THz wave can be tunable from 0.8 THz to 3.0 THz, and the peak energy output is 103 pJ/pulse at 1.5 THz. The noncoilinear cavity configuration makes the THz beam have Gaussian-like spatial distribution, small divergence angle, perpendicularly eradiated from the crystal surface. The beam quality factor M2 is measured to be Mx^2 = 1.15, Mx^2 = 1.25 for characterizing the THz wave beam. Experiments also show that the THz beam can be focused by using a polyethylene lens, and the focal spot size is close to the diffraction limit.     

非相干光纤激光组束系统耦合效率的优化分析

单光束耦合效率是决定非相干组束系统输出功率的关键,它受到透镜焦距、光栅周期和光斑半径等参数的影响。为了寻求较为优化的系统参数,通过理论分析和仿真研究,结果表明对于中心波长1060nm的光纤激光,应当选择透镜焦距20cm,光栅周期5μm,并且需要将光斑半径控制在50μm左右。通过反解光栅频率及组束波长带宽的第一个零点来选择组束阵列宽度一定条件下较优的光栅参数。通过理论分析和数值计算,结果表明较小的光栅频率和光栅厚度对提高衍射效率是有利的。     

二极管激光光栅-外腔光谱合成技术模拟研究

 光栅-外腔光谱合成效率主要由激光器和外腔的耦合效率决定。从衍射积分方程出发,建立了存在离轴像差情况下耦合效率模型,分析了光谱合成系统参数对耦合效率的影响。结果表明：当离轴距离增加、横模阶次增大、模场半径减小、阵列平面或光栅平面偏离焦平面时,耦合效率随之下降;光栅倾角和光栅平面-耦合输出镜距离对耦合效率影响甚微。对采用焦距为500 mm的对称双球面透镜,长度为10 mm二极管激光阵列的系统,快轴方向模场半径应大于0.15 mm, 慢轴方向模场半径应大于 20 μm, 阵列平面位置误差应控制在±0.5 mm内,光栅平面位置误差应控制在±0.2 mm内。     

High-reflectivity high-contrast grating focusing reflector on silicon-on-insulator wafer

A high-contrast grating(HCG) focusing reflector providing phase front control of reflected light and high reflectivity is proposed and fabricated.Basic design rules to engineer this category of structures are given in detail.A 1550 nm TM polarized incident light of 11.86 mm in focal length and 0.8320 in reflectivity is obtained in experiment.The wavelength dependence of the fabricated HCGs from 1530 nm to 1580 nm is also tested.The test results show that the focal length is in the range of 11.81-12 mm,which is close to the designed focal length of 15 mm.The reflectivity is almost above 0.56 within a bandwidth of 50 nm.At a distance of 11.86 mm,the light is focused to a round spot with the highest concentration,which is much smaller than the size of the incident beam.The FWHM of the reflected light beam decreases to 120 nm,and the intensity increases to 1.18.     

新型晶体Nd:S-VAP激光特性研究

测量了 Nd:S-VAP[Nd:Sr₅(VO₄)₃F]晶体的吸收光谱特性,在583.0nm 和809.0nm处有强烈的吸收峰.用可调谐染料激光泵浦实现了低阈值、高效率的激光运转.在透射率15%的平-平腔情况下,斜率效率为50%,阈值2mJ,倍频绿光的中心波长为536.0nm,线宽为1.4nm.采用φ4mm×30mm 的氙灯泵浦,实现了自由运转和染料片调 Q 运转.阈值为130mJ,斜效率为1.3%.测量了不同腔长、不同染料片小信号透射率情况下的输出能量、脉冲宽度以及光束发散角和偏振特性等.     

采用光栅角色散的宽带二倍频及聚焦特性分析

针对带宽为20 nm左右、中心波长为1 053 nm的线性啁啾宽带激光,分析了采用光栅角色散方式宽带二倍频的原理,讨论了光栅角色散性能及光栅加工误差引入的基频光位相扰动对二倍频光转换效率及聚焦特性的影响.研究结果表明:采用光栅角色散方式的宽带二倍频光的转换效率、脉冲宽度和带宽均明显增大;在0～22 nm基频光带宽范围内,二倍频光均可保持80％左右的转换效率;对于入射基频光带宽为22 nm的情况,光栅角色散率在30～80 μrad/nm范围内变化时,宽带二倍频转换效率均可保持在70％以上;基频光有位相扰动时,二倍频光带宽对二倍频聚焦光斑的主瓣影响不大,但对旁瓣有一定的匀滑作用,采用光栅角色散方式宽带二倍频的聚焦光斑旁瓣的匀滑效果更为明显.     

Demonstration of large-aperture tiled-grating compressors for high-energy, petawatt-class, chirped-pulse amplification systems

Two large-aperture tiled-grating (1.5 m) compressors, each consisting of four sets of tiled-grating assemblies, have been built for the OMEGA EP high-energy petawatt-class laser system. The techniques used for tiling individual tiled-grating assemblies and for optimizing the overall performance of a tiled-grating compressor are described. Both compressors achieved subpicosecond pulse duration without tiling-induced temporal degradation. A ray-tracing model predicted that the static wavefront of the grating tiles dominated focal-spot degradations when submicroradian tiling accuracy is achieved. The tiled-grating compressors delivered a tighter focal spot compared with subaperture grating compressors with single central tiles.     

半导体激光光栅外腔光谱合束压窄光谱的理论研究

介绍了一种减少半导体激光器阵列光栅外腔光谱合束(SBC)整体光谱展宽的方法,通过加入一组变形棱镜对传统光谱合束结构进行了改善。变形棱镜的作用实现减小半导体激光线阵输出光斑宽度,减小入射到光栅上的入射角度进而减小整体的光谱线宽。采用发光单元宽度为100 m、周期为500 m、由19个发光单元组成的常规CM-Bar条进行光栅-外腔光谱合束技术的理论推导及软件模拟,得到了光谱线宽为3.2 nm。与通过增大柱透镜焦距来减小光谱线宽的方法相比,此方法的优势是保证了整体光谱合束的整体结构在500 mm以内,使得各个发光单元有足够反馈量,抑制光束间串扰,保证合束后的光束质量和效率。     

平面光栅双单色仪的光学系统设计

平面光栅双单色仪是构成光栅衍射效率测试仪的重要组成部分,为了完成光栅衍射效率测试仪的研制,需要对平面光栅双单色仪的光学系统进行设计和模拟。仪器主要由光源、前置单色仪、测量单色仪和探测器组成;结合仪器的实际使用需要,确定了光源、探测器和光路结构,根据仪器的设计要求,分别对前置单色仪和测量单色仪的光学系统进行设计和模拟,给出了各自光学系统的像面点列图和实际光线追迹数据。设计结果保证了仪器光学系统的测量准确性。     

平面波透射聚焦超表面结构设计

为实现单个平面透镜在10.6!m波长处的会聚功能,本文设计并制备了一种一维亚波长光栅面型超表面(electromagnetic meta-surface)。基于电磁谐振现象,利用双条形介质耦合结构模型设计了会聚超表面单元结构,并采用FDTD Solution软件进行仿真计算证明了其对光波位相的调制作用,筛选出了10个位相梯度。通过对10个位相梯度的自由组合形成会聚超表面平面透镜,并进行了实验验证。实验结果表明:在设计波长上,超表面平面透镜对TM模式平面波能够较好地实现透射会聚的功能,焦距为49mm,会聚光斑最小宽度是0.7mm,工作效率达到60%。