应用于光束均匀化整形的SAGAGD算法

 分析了模拟退火算法、基因算法、梯度下降法的主要步骤和应用中的优劣，将这三种方法加以综合运用于纯位相元件的优化设计以实现光束均匀化，结果表明，该算法对于设计位相光学元件是十分有效的。     

Diffraction testing of ultrasonically-produced phase gratings using a double beam illumination method

An optical far-field method is described for studying ultrasonically-produced phase gratings with very small phase variations. An ultrasonic grating is illuminated by two plane waves mutually inclined at an angle properly matched to the diffraction angle of the inspected grating. The expressions for the time-dependent irradiance in the far-field diffraction orders are derived. They enable the extraction of the Raman-Nath parameter of a progressive ultrasonic beam. The application of the technique to pulsed ultrasound beams is proposed.     

利用晶体相位板同时实现焦斑整形和偏振匀滑

提出了一种新方法, 采用单轴晶体制作相位板, 可同时实现对惯性约束聚变激光驱动器靶点焦斑的整形和偏振匀滑. 采用标量衍射方法分析了晶体相位板的原理, 从焦斑的分布特征出发求解晶体的最佳面形. 在某装置参数条件下, 对晶体相位板的应用效果进行了数值模拟. 结果表明, 在特定的晶体切割角度和面形条件下, 晶体相位板能够对靶点焦斑进行有效的整形和匀滑, 其效果与连续相位板和偏振匀滑晶体的组合相当. 关键词： 相位板 单轴晶体 焦斑整形 偏振匀滑     

采用光谱色散平滑和连续相位板实现靶面均匀辐照的实验研究

为了改善高功率激光装置的靶面辐照均匀性, 在神光-Ⅲ原型装置的一路光上开展了结合光谱色散平滑(SSD) 和连续相位板(CPP)的高通量实验研究．实验基于调制频率9.2 GHz的体相位调制器开展, 输出的相位调制脉冲光谱展宽稳定, 脉冲波形顶部剩余调制很小. 结果表明SSD色循环数为1时预放和主放各级空间滤波器过孔顺利, 包含焦斑95%能量的通量对比度由窄带时的1.71下降到加SSD和CPP时的0.47．三倍频光脉宽1 ns, 能量1115 J时, CPP和终端光学组件元件未见损伤．通过实验解决了在高功率激光装置上采用SSD和CPP进行靶面均匀辐照的若干关键技术, 为将其应用于物理实验奠定了坚实基础.     

一种连续相位板焦斑边缘轮廓的提取方法

为了获得连续相位板（CPP）焦斑的外形尺寸,提出一种焦斑边缘轮廓的提取方法。连续相位板焦斑图像内部梯度起伏较大,直接应用传统边缘检测方法,易形成内部伪边缘。通过对焦斑图像依次作梯度处理、阈值分割、空间扫描和椭圆拟合,可以有效地获取焦斑边缘轮廓。比较了分别采用Laplace, Sobel, Krisch, Log算子进行梯度处理的提取结果,结果表明：采用Krisch算子,焦斑边缘轮廓提取的结果更稳定可靠。比较了阈值分割时不同阈值情况下的提取结果,表明阈值选取在背景梯度均值的110倍至180倍时,焦斑边缘轮廓提取结果比较可靠。     

连续相位板束匀滑容差能力分析

在惯性约束聚变系统中,改进G-S算法设计的连续相位板能够对波前发生畸变的激光进行束匀滑处理,以改善远场分布。由于连续相位板对不同畸变状态的波前进行处理后的效果不一样,因此针对连续相位板的束匀滑容差能力进行了系统分析。鉴于畸变光束的传输特性,采用波前均方根梯度来量化波前畸变量,定量计算了不同畸变光经过匀滑处理后的远场光强分布情况。并比较了不同入射畸变光通过连续相位板后的远场焦斑顶部均匀性,结果表明:当入射波前畸变的均方根梯度小于0.32 wave/mm 时,连续相位板具有很好的束匀滑效果。     

连续相位板束匀滑容差能力分析

在惯性约束聚变系统中,改进G-S算法设计的连续相位板能够对波前发生畸变的激光进行束匀滑处理,以改善远场分布。由于连续相位板对不同畸变状态的波前进行处理后的效果不一样,因此针对连续相位板的束匀滑容差能力进行了系统分析。鉴于畸变光束的传输特性,采用波前均方根梯度来量化波前畸变量,定量计算了不同畸变光经过匀滑处理后的远场光强分布情况。并比较了不同入射畸变光通过连续相位板后的远场焦斑顶部均匀性,结果表明：当入射波前畸变的均方根梯度小于0.32 wave/mm 时,连续相位板具有很好的束匀滑效果。     

用于激光光束整形的连续自由曲面的设计

设计一个有效的连续自由曲面,将给定的准直激光光束映射成任意模式的目标照明,仍然是一个具有挑战性的问题。提出一种基于光线映射来构造连续自由曲面的方法,通过计算光源与目标区域两者辐照度分布之间的光线映射关系,构造出光滑连续的自由曲面。对于准直输入光束,采用最优运输法计算光源与目标之间的光线映射;根据折反射定律和可积条件,推导出用于求解可积映射关系和连续自由曲面的一般条件;证明在小角度近似的情况下,基于最优运输法得到的光线映射关系可以满足可积条件;通过逐线积分法求解出满足一定边界条件的线性平流方程,从而完成连续自由曲面的构造。实验表明,利用逐线积分法求解标准积分方程构造出的连续自由曲面能实现任意模式的目标照明,能量利用率达98.95%。结果表明,基于最优运输法得到的光线映射关系在自由曲面和目标平面之间的距离较大时近似可积,提供了一种有效的构造连续自由曲面的方法。     

Focal shifting of transversely polarized beam using cosine phase plate

Focal shift of transversely polarized beams induced by cosine phase masks are investigated theoretically by vector diffraction theory. Results show that when the transversely polarized beam with radial cosine wavefront phase is focused, the focal pattern differs considerably with frequency parameter in the cosine function term. Increasing the value of frequency parameter in the cosine part of the phase mask, focal shift may occur, simultaneously, the focal shift direction may change. Moreover, by altering frequency parameter or phase variation parameter of the phase mask will change the energy distributions of maximum intensity peak and other small intensity peaks. And novel focal patterns also evolve considerably, such as from only one peak to five of multiple peaks. The tunable focal shift can be used to construct controllable optical tweezers.     

Iterative algorithm for the design of diffractive phase elements for laser beam shaping

An improved iterative algorithm for designing diffractive phase elements for laser beam shaping in free space is presented. The algorithm begins with the Gerchberg-Saxton approach to obtain a stable solution. This is followed by several new iterations, in which modified constraining functions are imposed in the Fourier domain while the phase distribution of each iteration remains unchanged. For super-Gaussian beam shaping suitable for inertial confinement fusion applications the mean-square errors of the amplitude and the intensity profile of the entire beam fitted to the corresponding parameters of the 12th-power super-Gaussian beam are approximately 0.035 and 9.75x10(-3), respectively. Approximately 97.4% of the incident energy is converged into the desired region.     

相位片角向衍射产生拉盖尔-高斯光束的实验研究

设计了一种角向分布的相位片,利用离子束刻蚀技术加工成0和π二级的相位片.利用角向衍射理论对相位片的衍射场分析表明,衍射场为拓扑指数相反的两束拉盖尔-高斯光束的叠加场.用直径为4 mm的近平行光照射相位片,获得径向指数为零,拓扑荷相反的叠加拉盖尔-高斯光场.采用较大孔径的光束入射时,仍为拓扑荷相反的两束光的叠加,但径向指数会发生变化. 关键词： 信息光学 拉盖尔-高斯光束 相位片 离子束刻蚀     

大口径连续相位板拼接检测误差分析

对大口径连续相位板（CPP）在子孔径拼接检测过程中存在的几种影响检测精度的主要因素, 包括定位误差、系统误差和拼接模式等进行了归纳并分析了其对检测精度的影响权重。通过对子孔径重叠区域分布的均匀性计算,分析了检测误差对拼接质量的影响。结果表明,定位误差是影响CPP拼接精度的主要原因,而对系统误差进行有效处理可以进一步减小重叠区非均匀性,拼接模式的选择对CPP的拼接结果的影响有限。通过CPP深度特性对重叠区域均匀性的统计分析表明,在像素级别的检测中,重叠区域均方根残差随着CPP深度的增加而线性增加,即拼接精度随CPP深度的增加而降低。     

A spatial domain constraint iterative phase retrieval method for the propagation based X ray phase contrast imaging

Based on the propagation X ray phase contrast imaging theory, a spatial domain constraint iterative phase retrieval method is described in detail. This algorithm limits the object spatial domain according to the actual sample size firstly, and modify the image plane data with the actual test data, then the iteration can be terminated until iteration precision or the number of iterations meet the preset requirements. Finally the numerical simulation is made to evaluate the rapid phase retrieval algorithm performance, and a real column fiber material experiment is carried out using a micro focus X ray phase contrast imaging experiment platform, the phase distribution image of the column fiber is calculated out by this algorithm. The results show that this phase retrieval algorithm is effective, and the method has a potential stability and accuracy for X ray phase contrast imaging technology.     

Focusing properties of the hyperbolic-cosine-Gaussian beam induced by phase plate

Focusing properties of hyperbolic-cosine-Gaussian beam induced by phase plate were investigated theoretically in this Letter. The phase plate consists of three concentric zones: center circle zone, inner and outer annular zones with 0, π, 0 phase variations, respectively. Numerical simulations show that the evolution of the focal shape is altered considerably by changing the radii of zones and the decentered parameters in cosh parts of the light beam. Increase inner radius of the outer annular zone, focal spot broadens along optical axis, splits into two peaks, and then the two peaks combine back into one peak. In this process, the focal depth increases and then decreases three times, so three focal depth peaks occur. And the distance between the two peaks for bigger inner radius of outer annular zone is very small. With decreasing decentered parameters in cosh part of the beam, position of the three focal depth peaks shift toward to small radius, and the peak values also fall simultaneously.     

光瞳半径对纯位相调制激光束整形系统的影响

光瞳截断作用对纯位相调制激光束整形系统的系统性能有重要影响. 本文提出了一种关于光瞳半径对近场调制位相和远场系统评价函数影响的定量分析方法. 通过拉格朗日乘数法等方法分析光瞳半径对近场调制位相的影响, 结果表明: 近场调制位相随光瞳半径近似线性增加. 通过建立数学模型, 拟合分析光瞳半径对系统评价函数的影响. 结果表明: 对方形目标光强, 系统评价函数拟合精度确定系数达到99%左右, 光瞳半径为2.5倍高斯光束束腰半径时, 相关系数达到0.997, 光强偏离残差平方均值达到0.0004左右, 光瞳截断作用趋于最小; 对圆形目标光强, 系统评价函数拟合精度确定系数达到97%, 光瞳半径为3倍高斯光束束腰半径时, 相关系数与光强偏离残差平方均值变化幅度均在10^-3量级, 系统评价函数趋于收敛, 光瞳截断作用趋于最小.     

单向纤维增强复合板弹性常数的反演方法研究

利用小波变换和人工神经网络技术,对激光激发单向纤维增强复合板产生的兰姆波信号进行分析,进而反演出单向纤维增强复合板的弹性常数。对小波变换和神经网络算法加以优化以提高反演结果的准确性,并分别对纤维方向和垂直于纤维方向的实验波形进行弹性常数的反演,两个方向的反演结果十分吻合。研究表明,利用该方法可直接从激光激发兰姆波的瞬态实验波形中反演出复合板的弹性常数,既不用事先知道兰姆波各模式传播的群速度,也不必采用传统的最小二乘法拟合色散曲线来反演弹性常数。     

用于光束匀滑的连续相位板近场均匀性

 为降低高功率激光系统中连续相位板(CPP)后续元件的强激光损伤风险,综合考虑入射光强调制、干涉及衍射作用等多种影响因素,建立了CPP近场计算分析模型,模拟和分析了这些因素对CPP后的近场均匀性的影响。理论分析结果表明：CPP后的光束近场均匀性主要受入射光调制、CPP表面剩余反射率和衍射传输距离的影响;当入射光束质量较差时,CPP后的近场均匀性主要由入射光束质量决定,CPP剩余反射率和衍射传输距离对近场均匀性影响相对较小;但当光束质量比较理想时,干涉和衍射作用会破坏CPP的近场均匀性,衍射传输距离影响尤为突出。     

用于光束匀滑的连续相位板近场均匀性

为降低高功率激光系统中连续相位板(CPP)后续元件的强激光损伤风险,综合考虑入射光强调制、干涉及衍射作用等多种影响因素,建立了CPP近场计算分析模型,模拟和分析了这些因素对CPP后的近场均匀性的影响。理论分析结果表明：CPP后的光束近场均匀性主要受入射光调制、CPP表面剩余反射率和衍射传输距离的影响;当入射光束质量较差时,CPP后的近场均匀性主要由入射光束质量决定,CPP剩余反射率和衍射传输距离对近场均匀性影响相对较小;但当光束质量比较理想时,干涉和衍射作用会破坏CPP的近场均匀性,衍射传输距离影响尤为突出。