光束质量对平顶衍射光学元件输出的影响

衍射光学元件（DOE）对入射光束的波长、束宽、光束质量等参数都有很高的要求,其中光束质量的影响无法直接通过相干光场的衍射积分得出。本文利用高斯谢尔模型（GSM）光束分析了光束质量对平顶衍射光学元件输出的影响。采用对称迭代傅里叶变换算法设计了输出平顶光斑的DOE。用模式分解的方法研究了不同光束质量的光束经该DOE后的输出光斑,发现光束质量因子增加会使输出光斑平顶区尺寸减小,导致DOE失效。从交叉谱密度出发,表明DOE的输出光斑是相干部分和非相干部分的卷积,其中非相干部分是导致输出光斑劣化的原因。给出了平顶衍射光学元件适用的最大M2因子与输入和输出光束尺寸之间的关系。给出了一种GSM光束整形DOE的设计方法,该方法有助于在低光束质量激光器中实现DOE的应用。     

使用离焦望远镜系统合成轴上平顶光束的一种新方法

提出了用平顶多高斯光束作为理想光束和使用离焦望远镜系统合成轴上平顶光束的一种新方法.在近轴近似下,基于柯林斯衍射积分公式推导出轴上光场和入射光场的解析表达式,并做了物理分析.光束阶数N,平顶长度参数L,平顶中心位置z_c和纵向中心空间频率S_c对轴上光强分布的影响用数值计算例做了说明.比较表明,该方法优于文献中使用矩形函数模拟理想光束合成轴上平顶光束的方法. 关键词： 轴上平顶光束 平顶多高斯光束 离焦望远镜系统 傅里叶变换     

反射式椭圆高斯光束平顶整形系统

为了将椭圆高斯光束整形为圆形平顶光束,设计了一种无中心遮拦反射式两镜整形系统。根据能量守恒思想,选择匀化洛伦兹函数作为出射光束平顶分布函数,建立了入射面和出射面之间的坐标变换关系;采用光程守恒原理和矢量形式的反射定律,推导了积分形式的整形系统两反射镜面形方程。利用数值解法计算出两反射镜的面形数据,经过光学设计软件仿真与系统参数分析,得到的圆形平顶光束在目标区域的照度均匀性大于95%。结果表明,这种整形系统可以明显提高椭圆高斯光束的平顶性,具有现实可行性。     

用于光束整形的衍射光学元件设计的混合算法

提出了一种用于衍射光学元件优化设计的混合遗传迭代爬山算法,该算法将迭代量化傅里叶变换算法融入到遗传算法中,然后在整体遗传算法结束后,对找到的当前最优解再用爬山法进行局部寻优,从而得到最优的衍射光学元件表面相位分布.用该混合方法设计了衍射光学元件,可以将入射的高斯光束整形成方形的均匀光斑.模拟结果表明:该混合算法具有收敛速度快、设计准确度高等优点.相比于其它设计方法,本文提出的方法能较好地改善整形效果,特别适用于光束整形的衍射元件设计.     

用于光束整形的衍射光学元件设计的混合算法

提出了一种用于衍射光学元件优化设计的混合遗传迭代爬山算法,该算法将迭代量化傅里叶变换算法融入到遗传算法中,然后在整体遗传算法结束后,对找到的当前最优解再用爬山法进行局部寻优,从而得到最优的衍射光学元件表面相位分布.用该混合方法设计了衍射光学元件,可以将入射的高斯光束整形成方形的均匀光斑.模拟结果表明:该混合算法具有收敛速度快、设计准确度高等优点.相比于其它设计方法,本文提出的方法能较好地改善整形效果,特别适用于光束整形的衍射元件设计.     

高阶模高斯光束整形方法研究

研究了高阶模高斯光束的整形方法.在高阶模高斯光束和平顶光束理论模型的基础上,分别选择了平项洛仑兹函数和费米狄拉克函数作为平顶光分布函数,利用能量守恒定律,分别推导针对拉盖尔-高斯光束和厄米特-高斯光束整形系统中入射光与出射光的映射函数.最后利用ZEMAX软件设计了针对TEM01模高斯光束进行整形的非球面透镜元件.结果表...     

利用纯相位型液晶空间光调制器实现空心光束

为了提高激光系统的整体效率,需要将出射光强整形为空心分布。采用纯相位型液晶空间光调制器整形近高斯分布光强到空心分布。基于能量守恒定律和等光程原理,分析了纯相位型液晶空间光调制器光束整形系统,得出了整形系统所需的相位分布。采用衍射光学方法,数值模拟了整形效果,讨论了入射光束束腰半径和强度分布等因素对整形效果的影响。利用纯相位型液晶空间光调制器实验实现了空心光束,实验测得的转换效率大于99%。     

光束整形在激光照明中的应用

提出利用光束整形技术提高激光照明均匀性、调节照明远场光斑尺寸的方法,用Easylaser激光仿真软件分析光束截断比对照明均匀性的影响,分析大气湍流条件下光束整形对照明均匀性的影响,并比较调节光束质量与光束整形对照明均匀性的影响。结果表明:光束整形具有调节照明激光远场光斑尺度及均匀性的能力,相位调节因子越大,整形后远场光斑半径越大、均匀性越好;光束截断比越大照明均匀性越好;弱湍流条件下,光束整形比调节光束质量的照明激光远场光斑均匀性更好。     

用Wigner分布函数方法研究平顶多高斯光束的分数傅里叶变换

本文用Wigner分布函数方法分析了平顶多高斯光束的分数傅里叶变换。导出了分数傅里叶变换面上光的强度、束宽、远场发散角、M2因子和K参数的解析表达式。通过数值模拟研究了分数傅里叶变换阶数对平顶多高斯光束传输性质的影响。     

平顶光束经表面有缺陷的厚非线性介质后的光强分布

基于非线性薛定谔方程和分步傅里叶算法, 研究了高功率平顶高斯光束经过厚非线性介质后在自由空间传输的光强演变过程, 详细分析了介质表面缺陷对光强演化规律的影响.研究结果表明, 平顶阶数越大, 光束的自聚焦效果越差, 最大光强点越靠近介质后表面.入射光束的初始场强越强, 介质的厚度和非线性系数越大, 光束的自聚焦越强, 且极值点越靠近介质后表面.介质表面的缺陷使得光束在靠近介质后表面有较大的光强. 并且相位调制型缺陷比振幅调制型缺陷对光强的影响更大. 关键词： 平顶光束 自聚焦 缺陷 光强分布     

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.     

微透镜变化对半导体激光器光束匀化效果的影响

为了实现高均匀性的半导体激光器泵浦光源,研究了成像型光束积分器中微透镜的变化对泵浦光均匀性的影响。详细讨论了微透镜数值孔径与入射光束的角度匹配的问题。推导了高斯光束经成像型光束积分器的光场分布模型,分析了微透镜的边缘衍射对光斑均匀性的影响,明确了微透镜孔径大小的取值范围,并利用ZEMAX进行了系统仿真及实验验证。结果表明,经优化后的成像型光束积分器实现了不均匀性为8.11%的矩形光斑。     

采用液晶空间光调制器进行激光光束的空间整形

提出采用液晶空间光调制器进行激光束的实时,可调控光束空间整形的新方法,研究了液晶空间光调制器的光学调制特性,用液晶空间光调制器衬时产生的软边切趾光阑与空间滤波器结合,有效地对任意光束进行空间整形,获得光束填充因子高,近“平顶”光强的光束近场分布。     

高斯与平顶光束纳秒脉冲激光物质蒸发烧蚀动力学仿真研究

基于建立的纳秒脉冲激光与金属铝相互作用的二维轴对称模型,仿真研究了光束整形对纳秒脉冲激光烧蚀金属铝过程中蒸发烧蚀动力学的影响.结果表明:等离子体屏蔽对靶材的烧蚀特性具有显著影响,屏蔽效应主要体现在脉冲的中后期.对于3种激光轮廓,高斯光束的屏蔽效果最强,随着整形后的平顶光束直径的增大,屏蔽效果逐渐减弱.平顶光束与高斯光束作用下,靶材温度的二维空间分布较为不同.高斯光束作用时,靶材中心最先升温,随后温度沿径向和轴向扩散.由于平顶光束的能量分布更加均匀,因此一定径向范围内的靶材同时升温.光束整形对靶材的蒸发烧蚀动力学影响较大.对于高斯光束,靶材中心先烧蚀,随后产生径向烧蚀.由于整形后平顶光束的能量密度降低,因此靶面蒸发时间较高斯光束延后,并且一定径向范围内的靶材同时发生蒸发烧蚀.3种激光轮廓下,靶材的蒸发烧蚀形貌与光束的强度分布类似,其中高斯光束的烧蚀坑呈中间深两边浅的特点,平顶光束的烧蚀坑较为平坦.     

飞秒平顶光束经微透镜阵列在熔融石英中的成丝及其超连续辐射

实验研究了平顶激光光束经微透镜阵列在熔融石英中成丝的演化以及超连续辐射的产生,并进一步与高斯光束的成丝和超连续辐射进行了对比研究.分别对这两种光束的多丝传输进行了横向和纵向成像.结果表明,使用平顶光束可以获得更为均匀的多丝分布,成丝的起点也更为一致;尤其重要的是,相对于高斯光束,平顶光束可以使用更高的入射激光脉冲能量而不会造成介质的损伤,从而可以获得更高脉冲能量和更高转换效率的超连续辐射.     

低散斑环形光束整形器件的设计及实验

提出一种可有效抑制散斑噪声的衍射元件设计方法.在传统Gerchberg-Saxton算法的基础上,通过选择一种特殊的初始相位,在不降低衍射效率的同时,有效提升光斑的均匀性.以将高斯光束整形成环形平顶光束为例,开展了数值仿真和光学实验.结果表明,利用该方法和传统Gerchberg-Saxton算法设计得到的环形平顶光束散斑对比度分别为11%和34%,验证了该方法可以获得低散斑噪声的环形平顶光束.     

平顶高斯光束在单轴晶体中的传输

基于光束在各向异性单轴介质中的近轴矢量传输理论，对平顶高斯光束在单轴晶体中的传输 作了研究，得到了解析的传输公式. 利用该传输公式可用一种简单的方法研究平顶高斯光束 在单轴晶体中的传输. 研究结果表明，由于晶体的各向异性特性使平顶高斯光束初始的圆对 称性在传输过程中不能保持，并且其偏振状态也随传输而变化. 用数值计算例对晶体内源于 入射平顶高斯光束的寻常光和非常光的场分布以及x和y方向的偏振分量在空间中的演化都作 了详细说明. 关键词： 平顶高斯光束 单轴晶体 各向异性 近轴矢量理论 传输公式     

EchSGB远距离照明条件下的焦开关

推导了复变量双曲余弦平方-高斯光束(EchSGB)被无光阑透镜聚焦后的轴上光强分布公式,在此基础上通过数值计算和分析发现,EchSGB只有在远距离照明条件下才存在焦开关现象.焦点跃变位置随光束参数和对应高斯光束的菲涅尔数不同而变化,得到了EchSGB在平顶情形下产生焦开关的相对入射距离为11.13,表明在远距离照明和无光阑透镜精密调焦时,对于EchSGB要考虑焦开关现象的影响.     

基于改进GS算法设计DOE制备紫外波段微米级均匀光斑

利用衍射光学元件（DOE）对紫外激光进行相位调制，可在远场衍射获得微米级均匀光斑。该方法的优点为：可灵活设计均匀光斑的形状、尺寸；具有较高的能量损伤阈值，适用于高功率光源。DOE设计的难点在于制备微米级均匀光斑的同时，兼顾陡度、均匀度等参数指标。基于解析法设计DOE生成的均匀光斑过渡区陡度变化缓慢，可有效利用的均匀区域较小，不适合制备小尺寸均匀光斑。此外，基础Gerchberg-Saxton(GS)算法制备微米级平顶光束，整形效果不明显，均匀度无法满足应用要求。将基础GS算法收敛结果作为改进GS算法的初始相位，改进GS算法在频域设置信号区和噪声区，并限制频域振幅分布，在理论上具备可行性。分析了离焦误差影响，并进行了实验验证，发现实验结果与理论结果具有一致性。     

非均匀增益对激光模式的影响

利用快速傅里叶变换(FFT)法对有正支共焦非稳腔、流动增益介质的化学氧碘激光器(COIL)与二氧化碳激光器的模场进行了数值模拟,在此基础上分析了介质的非均匀增益对激光模式的影响,为新的腔型设计和光束质量的改善提供了依据..