非线性介质中会聚高功率激光的焦点位置控制

为了控制激光束的传输,使激光光束能根据实际情况在特定的位置聚焦,并且保证在传输过程中光束质量不退化,根据透镜聚焦和非线性介质的自聚焦理论,研究了高功率会聚激光光束在两者共同作用下焦点位置的变化.分析了各种因素对高功率激光光束的焦点位置的影响,并通过数值求解光束在非线性Kerr介质中所遵循的非线性薛定谔方程,得到焦点的位...     

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.     

非线性介质对粒子场同轴全息成像的影响

 通过理论分析和实验验证,研究了非线性折射率介质对粒子场同轴全息成像的影响。利用粒子场同轴夫琅和费全息记录和光束在非线性介质中传输的波动方程,得出了光波的复振幅和强度分布。数值模拟了介质在线性和非线性时全息记录的情况,并进行了实验验证。结果表明：光波经非线性介质传输后,全息干板记录到粒子场的再现图像,这为高功率激光应用于全息照相提供参考,原因是高功率脉冲激光聚焦易击穿介质产生非线性传输。     

飞行光学导光系统中的空气热透镜效应

研究了激光加工用大功率ＣＯ２激光束在飞行光学导光系统中传输所产生的空气热透镜效应。实验发现当飞行光学导光系统中的空气静止时将产生空气热透镜效应,而充以一定压力的压缩空气却可以消除空气热透镜效应,实验表明无热透镜效应时,光束遵循高斯光束传输规律,而秀热透镜效应时,光束偏离高斯光束的传输规律,并影响到激光束聚焦焦点的大小和位置。另外通过激光空气热透镜效应的非线性模型计算了热透镜效应所引起的光束传输相对     

非线性增益介质中强激光热像的演化规律

高功率激光系统中的热像效应可能导致光束的峰值功率剧烈增加,增益非线性介质会使这种光强增幅更为强烈。基于菲涅尔-基尔霍夫衍射理论和非线性近轴波动方程,对强激光在增益克尔介质工作在饱和区时的热像产生过程进行理论分析,将光束传输方程中增益饱和部分进行麦克劳林展开,取其近似,经过推导得出了介质薄近似时热像强度解析式和热像位置。通过数值模拟对解析结论预测的热像强度和位置进行验证。仿真结果表明,热像的位置在衍射物相对于介质对称处,热像强度解析结果与模拟结果相符,在薄介质时,解析解与模拟结果拟合较好。热像强度随非线性介质内非线性效应增强而停止增加,此外,讨论了热像强度随调制类型的变化。     

非线性传输过程的线性算法

 基于非线性薛定谔方程的线性化理论，发展了一种计算高功率激光非线性传输的线性算法，该算法在初始光束分布满足一定条件时对近场传输问题具有相当高的精度，计算速度比常用的分步傅里叶算法快2~3个数量级。     

具有像散的克尔透镜锁模腔的研究

从非线性薛定谔方程出发,经严格计算求得了在具有像散情况下,偏振垂直于传播方向的光束在克尔介质中传输的一般特性,所用的计算方法可应用于高斯光束及克尔透镜锁模腔的研究,并能对高功率情形进行计算。研究表明,在有其他锁模启动机制下,不一定要用［ｄω／ｄｐ］ｐ＝０＜０作为克尔透镜锁模的必要条件。对于光脉冲的压缩来说,椭圆形光阑将优于圆形光阑。     

双环径向偏振涡旋光束经介质界面的深聚焦

基于矢量德拜理论,研究了双环径向偏振涡旋光束经介质分界面的深聚焦特性。当选取适当的入射光束拦截比时(即透镜孔径半径与入射光束的束腰半径的比),在聚焦场中可以得到一个极小的局域空心光束。局域空心光束的大小不仅与透镜的数值孔径有关,还与聚焦场介质的折射率有关。另外,还研究了透镜的数值孔径、入射光束的拦截比以及探测深度对聚焦光束实际焦点位置的影响。通过对聚焦光束的实际焦点位置的计算发现:当选取一定的光束拦截比时,聚焦光束存在一个焦点开关。     

聚焦高阶Bessel-Gauss光束重建的理论和实验研究

提出利用薄透镜元件对聚焦后的高阶Bessel-Gauss光束进行重建. 基于衍射理论, 分析了高阶Bessel-Gauss光束聚焦后的重建行为, 数值模拟高阶Bessel-Gauss光束经薄透镜聚焦再通过另一薄透镜重建的三维光场分布和截面光强分布图. 结果表明, 高阶Bessel-Gauss光束经单个薄透镜后产生中空的局域空心光束, 在焦点位置处为圆环, 尔后迅速发散; 在焦点后合适位置处放入另一薄透镜可矫正焦点后发散的光束, 使得其后光场不变, 仍满足Bessel分布; 实验结果与理论分析相符合. 研究结果对光镊、粒子捕获与操控具有一定的指导意义. 关键词： 衍射理论 传输矩阵 高阶Bessel-Gauss光束 重建     

介质的增益与损耗对高功率激光小尺度自聚焦的影响

 由光束在非线性介质中传输所满足的近轴波方程，应用Bespalov Talanov（BT）理论，导出了光束在两种介质中传输时，小尺度不稳定增长所遵循的微分方程。通过对比分析介质的增益和损耗对高功率激光的小尺度自聚焦行为的不同影响，得出了截止频率、最快增长频率、纹波的积分指数增益等特性随各参量的变化,求得了最大和最小的纹波增长的距离，以及介质的增益和损耗特性对成丝距离的影响。     

光束控制系统热效应与球差对激光光束质量的影响

采用Strehl比、桶中功率、β参数和束宽描述远场光束质量，研究了光束控制系统热效应和球差对远场激光光束质量的影响.用四维仿真程序作了详细计算，给出了数值计算结果并进行了物理分析.研究表明，传输通道的热效应和正球差会使远场光强分布扩展，可聚焦能力下降，光束质量变差.有意义的是，当激光发射功率达到一定值时，合适选取负球差会在几何焦面得到比无球差时更高的峰值光强和更好的可聚焦能力.但在以前的工作中，由于焦移，类似的结论是在实际焦面上得出的.非线性热晕的存在是其物理原因，对此用数值计算例子作了说明. 关键词： 高功率激光 热效应 光束控制系统 球差     

折射型光限幅器中参量的最优化设计研究

以衍射理论为基础,用箝位输出功率表征限幅器的限幅效果,推导了折射型光限幅器出射功率的表达式.数值计算了连续激光照射下,限幅器出射功率、限幅能力和最佳限幅位置的变化规律.结果表明：限幅器的出射功率随入射功率的增加衰减振荡,其振荡周期取决于介质相对于光束焦点的位置;限幅器的限幅能力随入射光束腰半径和光阑孔径的变大而减弱;入射功率范围固定,入射光束腰半径和光阑孔径增大时,介质的最佳限幅位置向入射光束的焦点靠近,但是在某些入射功率范围内会存在多个最佳限幅位置;光限幅器的箝位输出功率随光阑线性透过率的增加存在线性增加和非线性增加两个不同区域,实际应用中应在线性增加区域确定光阑孔径的大小.     

On the focusing limit of high-power femtosecond laser pulse propagation in air

Focused propagation of high-power femtosecond laser radiation in air is considered. Based on numerical solution of the nonlinear Schr?dinger equation for complex envelope of light wave electric field, evolution of the beam effective radius is studied. The dependence of the effective (rms) size of a focal spot and the maximally achievable intensity of laser radiation at focal waist on the initial pulse power is established. It is shown that focal spot of tightly focused intensive ultrashort laser radiation can change its size during the pulse passage through the beam waist. This is the consequence of pulse intensity clamping in region of beam focusing caused by gas photoionization and plasma producing. This may prevent laser intensity from its further growth in the focal region and arrest the transversal compression of the beam in the linear focus as a whole.     

Optimization of laser beam welding process parameters to attain maximum tensile strength in AZ31B magnesium alloy

An empirical relationship is developed to predict tensile strength of the laser beam welded AZ31B magnesium alloy by incorporating process parameters such as laser power, welding speed and focal position. The experiments were conducted based on a three factor, three level, central composite face centered design matrix with full replications technique. The empirical relationship can be used to predict the tensile strength of laser beam welded AZ31B magnesium alloy joints at 95% confidence level. The results indicate that the welding speed has the greatest influence on tensile strength, followed by laser power and focal position.     

高功率激光光束特性对激光加工的影响

决定光与物质相互作用的激光束的波长、入射角、偏振特性以及时间和空间特性是激光材料加工的主要光束特性。激光束的光束质量是其空间特性的量化反映。通过对两种不同激光加工系统输出激光光束质量进行测量和计算,根据多模激光束的聚焦理论,以及对激光深熔焊接实验结果的分析,研究了光束质量对深熔焊接焊缝成形的影响。结果表明,光束质量对聚焦光束的焦斑、聚焦角和焦深的影响不仅体现了激光源的可聚焦性,而且也标志了激光源的可加工能力,这是聚焦系统和焦点位置在选择过程中应该考虑的重要因素。     

激光对金属打孔的理论计算

建立毫秒脉冲激光束与金属相互作用的“矩形”唯象模型,功率密度大于破坏阈时,具有常数的烧蚀率,结合高斯光束的传输建立微分方程,通过数值求解,讨论了孔深、孔形与靶位、透镜焦距、激光方向性、激光能量之间的关系。     

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.