风对光束控制系统内热效应的抑制作用

 用光强沿x轴方向呈线性变化的方形环状光束模拟高功率激光，利用自编四维仿真程序对高功率激光在光束控制系统中的传输作了详细的数值计算研究。结果表明：热效应使远场光束的峰值光强和可聚焦能力下降。入射光强的非均匀分布进一步降低峰值光强和可聚焦能力，导致远场光束重心和峰值光强位置移动，并产生像散。光束的非均匀程度越高，远场光束质量越差。横向风和轴向风对热效应均有抑制作用。然而，轴向风不会引起远场光束重心偏移和像散，但是轴向风比横向风建立稳态所用时间更长。     

激光通道传输热特性对远场光束质量的影响

 通过仿真计算分析了激光在光束控制系统通道内传输所产生的热效应及其对远场光束质量的影响。激光传播由近轴波方程描述，用快速傅里叶变换技术求解；激光热效应引起的流场密度变化采用完全Navier-Stokes方程计算。计算给出了不同波长、不同吸收系数条件下的远场光斑情况。计算结果表明，在典型的工作条件和状态下，较高能量激光在光束控制系统通道内产生的热效应影响不容忽视，它会明显降低远场目标处的能量集中度，增大光斑的发散。     

高斯光束经过负球差透镜的聚焦

本文讨论高斯光束经过负球差透镜的聚焦，得到了聚焦光场轴上点的光强分布的表示式，并对其进行数值计算。数值计算结果表明，在负球差的情况下，得到光强的最大点位置（最佳聚焦点）相对于无球差情况，往透镜方向移动，并且，最佳聚焦点的光强较无球差时大，当Ｎｗ＝１，Ｎａ＝５，ｋＳ１＝－０．２时，得到的最佳聚焦点的光强是无球差时的１．３４倍。本文还讨论了透镜的菲涅尔数对聚焦光场分布的影响。结果表明，当透镜的菲涅尔数小于１时，球差对高斯光束的聚焦的影响可以忽略。     

利用球差透镜获得平顶激光光束

本文根据Huygens-Fresnel衍射积分计算高斯光束经过球差透镜的聚焦。数值计算结果表明,当透镜的球差系数为负时,在聚焦光场的两个位置,可得到平顶的激光光束。并且,透镜的负球差系数越大,得到的平顶激光光束越平坦。     

异常空心光束通过球差光阑透镜的聚焦和在焦区的位相奇异特性

研究了用德拜公式对异常空心这类新型光束经过光阑透镜后的聚焦特性.结果表明,异常空心光束的形状一般不能保持传输不变性,但选择合适的截断参数和球差异常空心光束在一定位置可保持其初始光强分布近似不变.在焦区位相奇点会出现移动、产生和湮灭,并与截断参数、球差和光阑透镜半角有关.当无球差时,出现鞍点,奇点对的湮灭过程与鞍点对湮灭相伴发生,导致亚波长结构.用计算例对结果做了说明,并与文献中已有工作做了比较. 关键词： 异常空心光束 球差光阑透镜 位相奇点     

聚焦贝塞尔-高斯光束的焦开关效应

 详细研究了贝塞尔-高斯光束被无光阑透镜聚焦后的焦开关效应。推导出了轴上最大光强位置满足的一元三次方程和相对跃迁量公式,并用数值计算对理论结果作了说明。研究表明,当光束参数大于2时,聚焦贝塞尔-高斯光束会有焦开关现象出现。相对跃迁量随着光束参数的增大而增大,轴上归一化光强最小值随着光束参数的增大而减小,并且当光束参数大于3.9时,轴上归一化光强最小值为零。     

球差光束在大气湍流中传输特性的实验研究

采用空间光调制器产生球差光束,并利用旋转随机相位板模拟大气湍流,实验上研究了球差光束在大气湍流中的传输特性.研究表明:在自由空间传输时,正、负球差光束光强分布均为环形多层分布,但经过大气湍流传输后光强均会变为类高斯分布.正球差导致光束扩展,负球差会导致光束聚焦.正球差越大光束能量集中度越差.负球差对光束能量集中度的影响是非单调的.特别地,大气湍流会削弱球差效应对光束扩展的影响.     

环形光束的非线性传输及聚焦特性研究

针对用于产生光镊的环形光束,利用分步傅里叶-贝塞尔变换算法,对二维环形超高斯光束的非线性传输及聚焦过程进行了数值模拟,给出了环形光束聚焦场附近的光强分布,并分析了非线性调制对聚焦性质(包括焦面中心光强、焦面光强的横向分布、轴上光强和光束质量)的影响.研究表明,从聚焦角度来看,非线性调制中的位相调制比振幅调制对环形光束聚焦性质的影响程度要大;从非线性传输角度来看,随着非线性介质长度的增加,位相调制和振幅调制对环形光束聚焦性质各有不同程度的加剧,其中非线性作用对振幅调制的影响要比位相调制明显.     

球差对圆偏涡旋贝塞耳-高斯光束聚焦场的影响

利用理查德-沃耳夫矢量衍射积分,分析了初级球差对圆偏振涡旋贝塞耳-高斯光束聚焦光场的影响,获得不同球差系数下的光强分布.结果表明,当初级球差系数增加,会聚光点偏离系统焦平面,纵向光场发生改变;焦点光强逐渐减小,焦平面光场发生变化;光轴上光强峰值逐渐减小,峰值两侧的旁瓣变化趋势相反,光强由对称分布变成非对称分布;初级球差对贝塞耳-高斯光束聚焦光场的影响不依赖其偏振态;离焦无法完全补偿初级球差对聚焦光场的影响.     

部分相干平顶高斯光束通过球差透镜的聚焦特性

 基于部分相干光的传输理论,研究了部分相干平顶高斯光束通过球差透镜聚焦后轴上点的光强分布。数值计算表明:轴上最佳聚焦点随着球差从负到正的变化而向几何焦点方向移动;光束阶数越大,实现最佳聚焦点越过几何焦点所需的正球差值越小;正负球差对应的最佳聚焦点始终分居于无球差时最佳聚焦点的两侧;轴上最佳聚焦点的光强随着球差从负到正的变化而变小;当正负球差绝对值较大时,光强随球差的变化较为缓慢,而在球差值为0附近,光强随球差的变化比较剧烈。     

Influences of pump beam distribution on thermal lensing spherical aberration in an LD end-pumped Nd:YAG laser

A numerical investigation is made on the thermal lensing and spherical aberration effect in an LD end-pumped Nd:YAG laser. Based on the finite element method (FEM), the laser rod temperature distribution is calculated and the focal length of the thermal lens is deduced, the influences of pump beam on the thermal lensing spherical aberration are mainly studied. The results show the thermal lens which focal length varied with the radial coordinate r is not an ideal lens. Given the heat dissipation boundary conditions, the radial dependent focal length will be shortened when the pump power raised or the waist radius of the pump beam reduced, meanwhile the radial differences of the focal length will decrease when the pump power increased. For a Super-Gaussian profile pump beam, the higher the exponent number, the more similar to flat top the pump beam is, and the less the radial differences of the focal length are.     

高库仑量大电流两电极气体火花开关研究

设计了一个两电极气体火花开关，开关的主体部分仅包括阴极、阳极两个主电极，以及金属外壳和绝缘支撑外壳，两电极结构取消了触发极，消除了由于触发极烧蚀影响开关寿命的问题。开关设计工作电压23 kV，单脉冲能量1.2 MJ，峰值电流300 kA，单次脉冲电荷转移量110 C。初步试验阶段开关工作电压达到15 kV，开关的通流180 kA，电荷转移量为47.85 C。开关触发性能可靠，电极烧蚀均匀。     

Focusing for laser hole drilling

The power intensity distribution of a laser beam across the focal plane is important for producing good hole geometry. To examine the power intensity distribution in the region of the image plane of a practical lens, a diffraction integral method is employed. Lens aberration is accounted for by the intensity of the appropriate phase changes. In the analysis, a free-running pulsed multimode solid-state laser is considered and the lens is assumed to have aberrations. Since an on-axis object is examined, only spherical aberration is taken into account.     

Analysis of beam quality for the laser beams after spectral beam combining

The beam quality of the laser beams after spectral beam combining (SBC) has been analyzed in this paper. Based on the propagation model of the spectral beam combining system, the expression for the output field of an individual beam passing through the spectral beam combining system with lens aberration has been given and the intensity distribution of the combined beam has been studied by the principle of incoherent superposition. Consequently, according to the intensity second-order moments method, the M²-factor of the combined beam has been calculated and the effect of lens aberration on the characteristics of the combined beam has been analyzed quantitatively. It can be shown that the SBC system can improve the beam quality of laser array significantly, and the M²-factor of the combined beam passing through the ideal spectral beam combining system is almost the same as that of an individual beam. For the spectral beam combining system with lens aberration, the spherical aberration has greater effect on the off-axis beam than on the on-axis beam, and the beam quality of combined beam degrades with increase in lens aberration.     

激光远场焦斑测试技术的实验研究

 实验研究了激光远场焦斑能量分布测试的三种方法（长焦距透镜法、列阵相机法、Rattle Pair法），对三种测试方法得到的实验数据进行了比对，系统地分析了每种方法的优缺点。结果表明,采用长焦距透镜与一对微楔角劈板组合测试激光远场焦斑的方法更具优势，可减少测试系统引入的像差，并使图像处理过程得到简化。     

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.     

Effects of low order atmosphere-turbulence aberrations on the vortex carrying Gaussian beam

The normalized intensity distributions at the focal plane of a vortex carrying Gaussian beam propagating in weak/middle turbulent atmosphere channel with z-tilt aberration, defocus aberration, astigmatism aberration or total turbulent aberration are discussed by numerical calculation. Our results show that the effect of z-tilt aberration on the intensity distribution of optical vortex beam is main effect of total turbulent aberration. In weak turbulent region, the effects of defocus and astigmatism aberration on the intensity distribution of a vortex carrying Gaussian beam can be ignored. In middle turbulent region, the effect of z-tilt aberration is still the most significant, but the effects of defocus and astigmatism aberrations, specially the effect of astigmatism on the center dark core of the intensity distribution at focal plane, can no longer be disregarded. Our results also show that for three low order aberrations, the beam with values of the topological charge, the beam have larger beam-radius and undergo smaller effects of z-tilt turbulent aberration on the doughnut distribution. For defocus aberration, the radius of the center dull of beam intensity increases with the values of topological charges increasing. And for astigmatism aberration, the beam with odd number topological charges, the center dull speck of beam intensity becomes to the bright speck. But for even number topological charges, the center dull speck of beam intensity maintains the dull one.     

光束自聚焦的矢量理论研究

基于矢量非傍轴非线性Schr-dinger方程,利用调制理论研究了光束的自聚焦特性,比较了非零电场散度项和非傍轴项在消除自聚焦崩塌方面的贡献。结果表明,引入两项之一都可使光束聚焦到一有限宽度后开始散焦,然后又自聚焦,如此作聚焦-散焦的周期性循环。但是,在光束自聚焦点附近,非零电场散度项的作用要强于非傍轴项。     

畸变光束的焦斑质心位置

 为分析振幅和相位发生畸变情况下光束焦斑质心位置所受的影响，以光波标量衍射理论中的夫琅和费衍射公式为基础，根据光斑强度分布一阶矩质心位置的定义，推导了直接依赖于光束近场复振幅分布的焦斑质心位置的一般表达式。进一步推导了焦斑质心位置对光束近场强度分布和相位斜率分布的依赖关系式，并对该式清晰的物理意义进行了阐述。利用焦斑质心位置表达式，可分析和确定由于振幅调制和相位畸变导致的质心位置偏移。最后，对无相位畸变和存在低阶泽尼克相位畸变情况下的简单畸变光束进行了相应的分析讨论。     

根据激光束横截面能量分布的变化测量大功率激光聚焦镜的像差

提出了一种实时测量大功率激光照射下聚焦镜产生的像差的新方法。该方法利用混合模激光束在传输过程中光束横截面能量分布的变化来进行测量。首先通过计算混合模激光束的光学参数来模拟其在传输过程中的光束横截面能量分布的变化,然后计算其通过聚焦镜后在焦点位置的光束横截面能量分布,通过对比计算所得的光束横截面能量分布和实际测量的焦点位置的光束横截面能量分布的差异,得到聚焦镜的像差。