侧入式导光板的激光微加工技术的验证研究（英文）

从设计、仿真与加工入手研究液晶背光模组中侧入式导光板的激光微加工技术.通过光学软件构建导光板的光学结构并采用蒙特卡洛光线追迹方法进行模拟仿真,结果表明具有渐变密度分布的微结构能够提供高均匀性的光输出.基于仿真结果,运用激光微加工技术进行验证设计.激光微加工获得的微结构在100倍光学显微镜放大测量下尺寸约为30.14μm,接近于设计值30μm,同时对单个微结构的3D表面形貌特征进行分析.十组采用激光微加工技术与丝网印刷技术加工的导光板分别安装至侧入式背光模组样机中进行对比.对比结果显示,激光微加工的导光板相比于传统的丝网印刷技术具有更好的光学均匀性和更低的色差,均匀性提高了6.2%,而色差下降了0.002 7.激光微加工技术快而简单,且整个加工过程是完全环保的,具备高性能、自动化生产和易于薄型化的优点.     

太赫兹频率编码器

超表面是由亚波长单元组成控制电磁波的人工结构,研究发现通过对其进行编码排列可实现对电磁波能量的任意控制.本文利用四种形状相同、尺寸不同的人字形结构单元,结合其不同相位响应和不同的相位灵敏度设计了太赫兹频率编码器,通过进行特定编码,在频率改变的情况下,实现了对电磁波能量辐射调控.分别设计了1-bit, 2-bit周期和非周期太赫兹频率编码器,通过数值计算和仿真模拟验证了上述特性,而且该结构对太赫兹波辐射主瓣能量有很好的分散作用,可以有效减少雷达散射截面,雷达散射截面缩减在q=0,j=0方向上最大可达29 dB,在太赫兹波隐身中具有巨大应用价值.     

用于光谱仪消像差的施密特校正板设计

基于施密特系统的基本原理,设计了一种用于光谱仪消像差的施密特校正板,得到了该校正板的面形方程和面形图。利用ZEMAX软件模拟和分析了加入施密特校正板前后光谱仪系统的成像特性。结果表明:波长为350,550,700nm时,原始光谱仪像面点斑的均方根(RMS)半径分别为515.843,563.074,885.820μm,而带有施密特校正板光谱仪像面点斑的RMS半径分别为287.441,252.774,511.816μm。施密特校正板使点斑尺寸在波长为350,550,700nm时,分别缩小了44.28%、55.11%、42.23%。所提出的施密特校正板设计方法为改善光谱仪的分辨率提供了技术参考。     

一种大能量受激布里渊散射相位共轭镜的研究

提出了一种可以满足大能量高峰值功率受激布里渊散射(SBS)相位共轭镜要求的独立双池结构，这种结构用在双程激光放大光路中可以补偿单程放大光路产生的动态和静态相位畸变.在7.1 J的入射能量下，最终得到了大于13 J的能量输出.相位共轭镜的能量反射率大于65%，相位共轭保真度达到90%，并且比较了以0°平面反射镜和以SBS相位共轭镜为腔镜的双程激光放大的输出结果，结果表明使用了SBS相位共轭镜之后，即使在大能量抽运的条件下也能得到很好的近场和远场保真度. 关键词： 受激布里渊散射 相位共轭镜 双程放大激光器 保真度     

随机高斯型相位板的束匀滑特性

 针对激光系统对光束匀滑的需求,设计了高斯型连续相位板,并对其远场特性进行了研究。分别计算了相干长度为39,30,10和3 mm的高斯相位板远场光斑分布,结果显示相位板自身相关长度是决定远场能量分布的重要因素,当相干长度大于10 mm时,由于不满足各态历经条件,远场光斑分布能量分散。当相干长度小于10 mm后,由于满足各态历经条件,远场光斑能量将接近理想的高斯分布特性。通过数值计算模拟了相干长度为3 mm的连续相位板对畸变光束进行匀滑处理的过程,演示了束匀滑处理结果。通过比较匀滑前后远场光斑的能量分布,显示了畸变光束通过连续相位板后远场光斑能量分布变化情况,通过相位板后,光斑形状明显接近理想高斯分布情况。     

利用周期型正交二元相位板产生正方阵列涡旋和螺旋光场

设计了一种周期型正交二元相位板,其具有周期型矩形调制单元,各单元的相位调制量为0或π。该相位板的空间频谱具有中心直流分量为0的特点,分别对该频谱中心区域的4个一级频谱点和8个二级频谱点进行相位调制,可得到正方阵列光斑和正方阵列涡旋。阵列涡旋中各涡旋光束的拓扑荷数l=±1,在空间交错分布。由于两个正方阵列光场在垂直传播方向的横向周期恰好重合,且两个光场沿光轴方向的波数不同,因此叠加之后可以形成强度分布随传输距离旋转的正方阵列螺旋,阵列中存在两种具有相反螺旋方向的螺旋光束,同样在空间呈交错分布。此外,讨论了产生最佳螺旋光束的相位板设计条件,并给出理想情况下系统的能量利用率,所得实验结果验证了该方法的可行性。     

可调谐相位板空域频域联合分析

波前编码系统采用在传统光学系统中加入相位板来扩大光学系统的景深而避免传统景深延拓技术的不利影响. 由于相位板的参数不可调, 整个系统的景深延拓扩展率也不能动态可调. 采用两相位板组合的方法可以有效克服这一点. 本文首先从光线差的角度提出了两三次相位板组合下的光线像差分布以及点扩散函数尺寸的具体关系表达式, 直观体现了系统的光线结构, 指出了光线结构和点扩散函数尺寸受两三次相位板的面型和相对位移量的影响. 其次采用稳相法从空间域给出了系统点扩散函数表达式, 依据点扩散函数的振荡性质给出了有效带宽表达式, 提出了点扩散函数在像面的位置会随两相位板面型参数以及相对于光瞳中心的位移量而发生平移. 最后利用菲涅耳积分给出两三次相位板任意面型参数和相对位移组合下的准确光学传递函数. 在得到的调制传递函数中直观体现出了面型参数和相对位移量对调制传递函数和相位传递函数以及有效带宽的影响, 并说明了此系统相位传递函数的非线性性质. 通过空间域与频率域相结合的方法分析验证了传统的两三次相位板组合具有景深可调和带宽可调的性质, 为设计可调谐波前编码系统提供了理论依据.     

基于偏振光相位调制的超衍射极限空间结构光研究

具有超衍射极限尺寸的空间结构光在远场超分辨成像、光镊、微纳米加工等领域都有着重要的应用.本文基于偏振光的相位调制原理,结合光学实验与光场数值模拟开展了在空间生成具有超衍射极限尺寸的空间结构光的研究.首先设计了一种兼备圆形π与涡旋形2π相位板特点的新型相位板,并且实验观察到了高数值孔径系统中新型相位板调制圆偏振高斯光的焦点处的空间结构光形貌.随后通过结合矢量衍射积分理论的数值模拟,得出了一种具有超衍射极限尺寸、且同时呈现中心对称与轴对称的空间结构光.最后,本文详细讨论分析了新型相位板调制圆偏振光、线偏振光、径向偏振光以及角向偏振光所获得的空间结构光分布特点.结果显示,圆、线、径向与角向偏振条件下得到的空间结构光横向最小暗斑的半高全宽分别为0.31λ,0.32λ,0.24λ和0.36λ;在光轴上,线、径向与角向偏振光情况下的中心暗斑的半高全宽分别为0.8λ,0.78λ,0.76λ,而圆偏振光在轴向方向没有电矢量分布.     

飞秒激光湿法刻蚀微纳制造

飞秒激光微加工作为一种新型微纳制造技术,在复杂三维构型制作方面具有其独特的优势,但激光加工效率问题严重制约了飞秒激光微加工技术走向实际工程应用,提出一种飞秒激光湿法刻蚀微纳制造方法,以提高飞秒激光微加工的效率为突破口,通过调控激光与物质相互作用获得材料的目标靶向改性,进而结合化学湿法刻蚀实现硬质材料上的高效和高精度三维微加工,采用这一方法制作出的微透镜尺寸为80 m,球冠高6.7 m,表面粗糙度小于10 nm。利用这种方法,实现了不同结构与特性的高质量微透镜阵列的超精密制备,在石英内部也实现了螺旋微通道的复杂三维结构,螺旋通道直径为20 m,长径比超过100。     

半主动激光制导能量传输与模拟技术

为模拟实战环境下半主动激光制导的目标回波能量,设计并研制了注入式激光能量模拟设备。对激光制导能量传递过程及模拟技术进行研究。首先,针对激光制导武器工作过程,建立了激光在大气中传输发生散射与衰减的模型,并针对实战中存在的各种烟雾、降雨、干扰烟剂等进行建模仿真。接着,设计了激光目标回波能量模拟器的总体方案,选用DPS-A激光器和布儒斯特角薄膜偏振器模拟激光衰减过程。设计了光纤耦合与匀光准直系统。最后,构建了激光制导半物理仿真系统,分别进行了激光回波能量模拟实验、激光导引头标定与激光末制导试验。实验结果表明:激光能量模拟误差小于3. 0%,导引头线性角度范围内残差小于0. 08°,测角精度小于0. 45 mrad,末制导过程体视线角跟踪误差小于0. 2°。该系统可模拟多种实战环境中激光能量传输情况,且精度高,能够满足激光制导半物理仿真要求。     

基于双频光源和涡旋相位的互补旋转集束匀滑方案

提出了一种基于双频光源和涡旋相位板实现光束快速互补旋转的集束匀滑方案。双频光源为集束中各子束提供频移,拓扑荷数相同但反号的涡旋相位板阵列用于将各个子束变换成拉盖尔—高斯(LG)光束,而通过偏振控制则可实现子束间两两的相干叠加。在此基础上,通过采用共轭连续相位板可使波长不同、偏振态不同的子束组合在靶面形成快速旋转且空间上互补填充的焦斑。结果表明,利用这一方案可实现子束散斑在靶面上快速旋转且散斑分布保持互补,进而有效改善靶面辐照均匀性,甚至为抑制激光等离子体不稳定性提供了一种潜在途径。     

随机并行梯度下降算法在激光束整形中的应用

为了满足高光束质量要求,校正激光束在传输过程中产生的波前畸变,改善激光位相分布,进而提高聚焦光斑的能量集中度,基于79单元微机械薄膜变形镜（MMDM）搭建了一套激光束整形实验系统。利用随机并行梯度下降（SPGD）算法,分别选择聚焦光斑半径、形心为中心的环围能量比和质心为中心的环围能量比作为算法性能指标,开展了激光束整形实验研究。3种情况下,分别经过58次、197次、133次迭代趋于收敛,但光斑半径作为性能指标时振荡严重;环围能量比从整形前的0.200 5、0.127 7、0.200 5分别增加到整形后的0.669 9、0.733 9、0.864 0。实验结果表明：MMDM用于激光束整形具有良好的效果,光斑半径作为性能指标整形速度最快,其次为质心环围能量比,形心环围能量比最慢;质心环围能量比作为性能指标整形效果最好,其次为形心环围能量比,光斑半径最差。综合比较,质心环围能量比作为性能指标时综合效果最好。     

黑腔中空间束匀滑光束成丝不稳定性的数值模拟北大核心CSCD

为深入研究黑腔内激光成丝不稳定性产生和发展,建立了空间束匀滑光束的传播模型,利用三维激光等离子体相互作用程序LAP3D模拟了黑腔物理条件下的大尺度成丝现象。模拟结果可正确描述成丝后光强的束发散现象及谱空间光强分布特征。从激光能量参数角度分析了导致成丝不稳定性发展的物理因素,并讨论了应用空间束匀滑技术抑制成丝不稳定性的局限性。研究表明:空间束匀滑光束发展成丝的能力取决于光斑内小焦斑的成丝表现,当具备成丝能力的小焦斑份额达到一定比例后,就会导致整个空间束匀滑光束成丝,因此对于光斑平均功率密度较高的光束,须考虑结合其他束匀滑手段来抑制成丝发展。     

基于束间动态干涉的快速匀滑新方法

针对高功率激光装置中靶面辐照均匀性的高要求,提出了一种利用束间动态干涉改善辐照均匀性的快速匀滑方法.基本原理是利用共轭相位板阵列对存在一定波长差的多束激光附加相位调制,从而使各子束在远场两两相干叠加以产生动态的干涉图样,进而引起焦斑内部散斑的动态扫动,在ps时间内抹平不均匀性.以典型惯性约束聚变装置中的激光集束为例,通过建立基于束间动态干涉的快速匀滑物理模型,定量分析了相位板类型、相位调制幅度和束间波长差等因素对焦斑动态干涉图样的影响及规律,进而对其束匀滑特性进行了讨论.结果表明,基于束间动态干涉的快速匀滑方法可以有效地实现多方向、多维度的焦斑内部散斑快速扫动,且通过与传统束匀滑技术的联用,可以在更短的时间内达到更好的焦斑均匀性.     

Method for measuring retardation of a quarter-wave plate based on normalized secondary harmonic component

A method for measuring retardation of a quarter-wave plate based on normalized secondary harmonic component is proposed, and the measuring principle is analyzed. The optical measuring system is composed of a laser, a polarizer, a phase modulator, the quarter-wave plate to be measured, an analyzer and a detector. The azimuths of the transmission axes of the polarizer and the analyzer with respect to the modulating axis of the phase modulator are +45°, 0°, respectively. The retardation of the quarter-wave plate is calculated precisely using the normalized secondary harmonic components prior to and after 22.5° rotation of the quarter-wave plate. In this method, the major axis position of the quarter-wave plate is not required to be known in advance, and the measured retardation is independent of the intensity fluctuation of the light source. The feasibility of the method is verified by the experiments.     

光纤传输激光驱动飞片实验研究

构建了一种基于光纤传输高功率激光的飞片发射系统,并测试了飞片速度.飞片膜层为三明治结构:铝烧蚀层、氧化铝隔离层和铝飞片产生层.飞片膜层采用磁控溅射技术沉积在玻璃衬底上,总厚度为5.5 μm.激光辐照铝膜层产生高温高压等离子体,驱动剩余膜层产生高速飞片,速度达数km/s.同时,实验研究了光纤传能系统的输出激光空间分布特性和传输激光能量容量,它们决定了飞片的平面性和最大速度.光纤端面损伤是限制光纤传输激光能量容量的关键因素,光纤端面通过精密机械抛光和激光预处理可以获得理想的抗激光损伤能力.采用基于光纤阵列探针的时间序列测试技术获得了飞片的平均速度,并评估了飞片的平面性.采用搭建的基于光纤传输高功率激光的飞片发射系统获得了速度达1.7 km/s、直径接近1 mm的高速飞片. 关键词： 激光驱动飞片 激光辐照 光纤阵列探针 激光等离子体     

马赫-曾德尔型相移矢量剪切干涉仪

为了实现对激光波面的等光程测试,设计了一个新颖的相移矢量剪切干涉仪。该干涉仪以马赫曾德尔结构为基础,为等光程干涉仪。通过在相干的两路光束中分别插入楔角方向正交放置的楔板实现矢量剪切;其中一块楔板分成两块(平板部分和楔板部分),楔板部分沿平板部分的表面移动,通过改变光程差来实现相移,2π相移所需的移动距离为几毫米的量级,该相移方法在相移精度控制上比较简单。文中还对楔板引入的横向剪切误差和相移误差进行了分析,最后给出了实验所得的一组相移干涉图。     

基于数字微镜阵列光调制的激光防护系统

提出一种基于数字微镜阵列(DMD)的激光防护系统设计方案, 利用DMD的光调制作用减少强激光对光电成像设备的损坏.详细介绍了系统的工作原理、DMD及CCD的选型、投影光路和光学转换系统的设计, 运用相移莫尔法进行了图像像素的调校.模拟实验结果显示, 该系统可在不同光斑半径和光强的条件下成功识别激光光斑中心点的像素坐标和半径, 实现对光斑对应区域的微反射镜控制, 激光光强可衰减70%以上.     

远场几何光路追踪唯象模型

在激光靶耦合流体模拟程序中,相对于传统几何光路追踪方法,Wigner分布函数光路追踪方法可以描述激光衍射效应;但Wigner分布函数方法需要大量的激光光线来刻画激光能量在相空间的分布,降低了流体计算效率。基于Wigner分布函数方法提出了一个唯象模型,可以用较少的光线刻画宏观特征。该模型将Wigner分布函数分解成坐标空间与相空间两部分函数的乘积,并假定相空间分布函数具有特定的形式。该模型适用于空间相干度较低的实际光束,成功描述了OMEGA激光器光束,并且可以描述经过连续相位板匀滑后的实际光束。     

切向气流对激光加热金属板非熔化穿孔效应的影响

针对切向气流加载导致激光加热金属板在熔化前的穿孔效应,利用金属薄板的弹性弯曲理论,推导出了两种典型光束（方形和圆形）照射下的弯曲挠度表达式,利用Mises理论给出了非熔化穿孔的破坏判据。研究结果表明：激光加热下材料强度降低是出现非熔化穿孔破坏的主要机理;薄板在光斑区的最大变形与气流速度、光斑直径、板厚与弹性模量（U2a4/Eh3）相关,穿孔破坏温度与气流速度、光斑直径及板厚（Ua/h）2相关;与方形光斑辐照相比,圆形光斑辐照的破坏阈值稍高一些。数值计算结果表明：0.8 Ma切向气流作用下,铝合金壳体的激光破坏能量阈值大大降低（可达40%～50%）,典型不锈钢壳体的破坏阈值降低相对较小（20%左右）,气流作用导致金属板破坏阈值的下降是需特别关注的问题。