基于自适应桶中功率评价函数的光纤放大器相干合成实验研究

光纤激光光束合成技术被公认为是实现高亮度、高光束质量激光束的优秀方法,而激光阵列间的倾斜像差是影响合成效果的重要因素.针对当前光束合成中存在的倾斜校正量受限问题,提出了基于自适应桶中功率(PIB)评价函数的倾斜控制策略.搭建了两路2 W光纤放大器的相干合成实验平台,利用自制的压电环光纤相位调制器和自适应光纤准直器分别实现锁相和倾斜像差校正,验证了基于自适应PIB的倾斜控制策略的可行性,并实现了相干合成.

贝塞尔高斯涡旋光束在大气湍流中的传输特性

基于广义惠更斯-菲涅耳原理,推导了贝塞尔高斯涡旋光束在湍流大气中传输时系统平均光强的解析表达式,研究了贝塞尔高斯空心涡旋光束在湍流大气中的光强传输特性,同时分析了大气湍流的强弱、涡旋光束的拓扑荷等对光束质量的影响.结果表明:贝塞尔高斯涡旋光束在大气湍流中传输时,光强分布经历几个连续的变化,相位奇异性也会在传输过程中消失,该过程与涡旋光束拓扑荷的数目、光束的束腰宽度以及大气湍流的强弱等因素密切相关.拓扑荷数目高的涡旋光束在湍流大气中传输时,其奇异性的保持较拓扑荷数目低的涡旋光束要好.另外,基于桶中功率理论,分析研究了涡旋光束的拓扑荷数目、大气湍流强弱和束腰宽度对贝塞尔高斯涡旋光束在大气湍流中传输时的光束质量的影响.

不同形状激光波束在大气中传输的湍流效应(英文)

当激光在大气传输时,会引起光束的抖动、光束扩展和漂移等大气湍流效应,这严重影响了激光传输的效能。根据波动光学理论,建立了不同波束激光在大气湍流传输的数学模型,采用龙哥库塔法编写了四维程序。数值结果表明:大气湍流效应会造成激光光束的相位起伏变大,光束的聚焦能力减弱,光斑会发生分裂;相比高斯光束,矩形光束可大大减弱湍流效应。

复宗量厄米双曲余弦高斯光束在湍流大气中的传输特性

根据广义的惠更斯-菲涅耳原理,推导了复宗量厄米双曲余弦高斯(EHChG)光束在湍流大气中传输时光强分布的理论公式,并研究光束在湍流大气中的传输变化规律.研究发现,EHChG光束在湍流大气中传输时,光强分布均趋于高斯分布.在湍流大气的影响下,EHChG光束由完全相干光变成部分相干光,并且随着传输距离和湍流强度的增加,光束的空间相干性变差.研究还发现,光束的桶中功率与湍流大气的强度、传输距离及光束参数m,n有关.

阵列合成激光束在湍流大气中传输的研究进展

多路激光束合成是获得高功率和高能量激光输出的有效途径,因此,多年来光束合成方法和技术得到了广泛的关注和深入研究。近年来,随着空间光通信和激光传播工程等应用需求的发展,合成光束在湍流大气中的传播过程及其规律研究也逐渐成为光传播研究领域的热点问题。针对多种典型激光阵列合成光束,首先对比分析了广义Huygens-Fresnel原理、Rytov微扰近似以及随机相位屏数值模拟等方法在激光阵列合成光束大气传输研究中的应用;其次,阐述了合成光束传播应用研究中的桶中功率、衍射极限倍数β、M^2因子、光束传输因子等光束质量评价因子的评价作用;最后,根据阵列合成激光束的研究现状和成果,提出了应进一步深入研究的问题。

在湍流大气中传输时相干系统的抖动对远场的影响

为了研究相干合束激光在湍流大气中传输时,合束系统的抖动对远场的影响,采用惠更斯-菲涅耳原理推导了系统中单个光源因抖动造成偏离时的远场光强表达式。以正六边形阵列为例,分析了在不同湍流强度或者传输距离时,抖动对远场造成的的影响,并分别描绘了峰值光强及桶中功率不低于理想情况下92%时的抖动控制曲线。结果表明,抖动造成了远场的峰值光强和桶中功率的降低;当抖动范围相同时,随着湍流强度的减弱或者传输距离的减小,抖动的破坏更加严重。这一结果对研究湍流大气中的相干合束是有帮助的。

激光的参数描述和光束质量

激光光束质量是一个很有现实意义的论题。对实际激光,一方面或多或少存在硬边光阑光学元件影响。另一方面,人们常对远场激光束的可聚焦能力感兴趣。对有光阑情况时光束传输因子(M2因子)的推广作了讨论。对有代表性的3种方法,即广义截断二阶矩法、渐近分析法和自收敛束宽法及其应用作了分析。引入了桶中功率(PIB)和β参数用以描述远场光束质量。然后,研究了实际应用对激光光束质量的一些要求和相关的评价参数。最后,讨论了复杂的高功率激光系统的全程光束质量控制问题。

对激光光束质量一些问题的认识

从对激光光束质量研究进展开始,讨论了在傍轴和非傍轴范畴内激光光束质量的一些问题,主要是非傍轴光束的光束质量评价。光束传输的非傍轴矢量二阶矩理论可用于计算多种非傍轴光束的M2因子,但对M2因子的物理解释却有困难。例如,在非傍轴范畴,M2因子依赖于束腰宽度与波长之比,并可小于1。但远场发散角之值可趋于90,°这将导致很大的M2因子值。另一方面,若将公式中的光强用时间平均坡印廷矢量z分量代替,桶中功率(PIB),或等价地,!参数可推广用于评价非傍轴光束的远场光束质量。PIB表征了光束功率的可聚焦能力,是一种简明、直观评价不同激光光束的方法。然而,在!参数的公式中的束宽是按功率含量百分比定义的,因此双曲线传输规律不再严格成立。

环状光束通过透镜的聚焦特性研究

给出了环状光束在柱坐标系下的一种描述模型,并利用广义衍射积分理论,推导出环状光束经过近轴ABCD光学系统的传输公式·在此基础上,通过数值模拟方法定量分析了环状光束的聚焦光强分布以及焦面处的桶中功率·研究结果表明,环状光束的聚焦特性与光束阶数以及系统菲涅耳数有关;环状光束在实际焦面和几何焦面上的桶中功率均随着遮拦比的增大而降低,而随着系统菲涅耳数的增大而增大·在实际工作中,通过合理地选取系统菲涅耳数和光束遮拦比可以有效地控制环状光束聚焦后的光束质量·

非稳腔的远场光强分布和光束质量

在对远场光强分布分析的基础上，对非稳腔的光束质量作了详细研究。证明了当遮拦比ε→１ 时，其远场光强是零阶贝塞尔光束分布。对数值计算结果的物理分析表明：用“桶中功率”曲线是评价非稳腔远场光束质量适用的方法。同时，也指出了这种方法的不足之处。

艾里光束的远场特性及其演化规律

从艾里光束的理论基础出发,详细研究了艾里光束的远场传输特性,包括场强分布、光斑直径和桶中功率(Power in the Bucket,PIB)的演化过程。探讨了场强分布随截断因子a和任意横向刻度x0的变化规律,以及a和x0对艾里光束保持无衍射性质传输的距离(Distance with Keeping Nondiffraction,DKNd)、演化成类高斯分布的距离(Distance in which the Evolution became similar Guassian,DEG)和自弯曲程度(Self-bending Degree,Sb D)的影响。研究发现:场强分布在演化成类高斯分布过程中,DKNd、DEG和Sb D都随着x0的增大而增大,DKNd和DEG随a的增大而减小,a对Sb D无影响。研究了艾里光束的光斑直径和PIB的演化规律,发现在a值不同的情况下,在传输过程中光斑直径先保持不变后增加,PIB先减小后增大,最终等于0.76。

微小孔非傍轴衍射光束传输特性的研究

基于非傍轴标量光束横截面上光强的精确定义,对桶中功率和二阶矩定义的光束束宽、远场发散角和M2因子等进行了比较研究.以平面波的微小圆孔衍射光束为例,进行了详细的数值计算.结果表明,桶中功率定义的光束束宽、远场发散角和M2因子较二阶矩定义的小,两种定义的M2因子都随束腰趋于零而趋向于零,桶中功率定义的光束束宽的传播规律与双曲线存在一定偏差.

像散透镜对超高斯光束的变换特性

利用广义惠更斯 菲涅耳衍射积分 ,并考虑像散的影响 ,对超高斯光束通过像散透镜后的传输特性作了数值计算和讨论 ,得出一些新的结论。以桶中功率为参数分析了像散超高斯光束的光束质量 。

大气湍流对厄米-高斯光束光束质量的影响

采用二阶矩束宽、桶中功率和光束质量参数作为特征参数,研究了大气湍流对厄米-高斯(H-G)光束远场光束质量造成的影响,并对其作了详细的数值计算和分析。研究结果表明,在大气湍流中,TEM10模光束的相对展宽小于TEM00模光束的相对展宽。在湍流不太强的情况下,例如Rytov变量小于9时,TEM10模的PIB小于TEM00模光束的桶中功率,TEM10模的光束质量参数大于TEM00模光束的光束质量参数。但是,随着湍流的进一步增强,TEM10模的PIB和光束质量参数值逐渐趋近于TEM00模的PIB和光束质量参数值。

截断非傍轴双曲余弦-高斯光束的远场特性

基于瑞利-索末菲衍射积分公式,推导出截断非傍轴双曲余弦-高斯光束在自由空间传输的解析表示式,分析了一些特例,并引入非傍轴范畴的桶中功率概念,用以描述非傍轴光束的远场光束质量。结果表明:截断非傍轴双曲余弦-高斯光束的光强和桶中功率不仅与束腰宽度与波长之比、偏心参数及截断参数有关,而且桶中功率还与桶的尺寸有关。在一定的范围内,较大的束腰宽度与波长之比,截断参数和较小的偏心参数使光束有更好的聚焦特性,表现出更好的光束质量。

激光光束质量的评价方法

激光光束质量是一个很有现实意义的论题,对不同应用的激光光束其质量的评价标准一般不同。给出了几种有代表性的激光光束质量的评价方法,并分别对各种评价标准的合理性与适用性进行了详细的分析;研究了实际应用中对激光光束质量的一些要求和相关的评价参数。

复宗量拉盖尔-高斯光束及其特性研究(英文)

用由广义惠更斯 菲涅耳衍射积分推导出的传输方程详细研究了复宗量拉盖尔 高斯光束及其传输特性。采用光束传输因子 (M2 因子 )和桶中功率 (PIB)来表征光束质量 ,对复宗量和实宗量拉盖尔 高斯光束的光束质量进行了比较 ,并对所得结果作了分析。

非傍轴厄米-高斯光束多重径向阵列光束的传输特性

基于瑞利-索末菲衍射积分公式,推导出非傍轴厄米-高斯光束多重径向阵列相干和非相干合成光束在自由空间中的传输解析式,对它们在自由空间的传输特性进行了解析和数值研究。重点研究了阵列几何排布P×Q,非傍轴参数f和光束模式数m对相干合成桶中功率(PIB)的影响。结果表明,相干和非相干合成P×Q径向阵列光束远场轴上光强分布分别是单束光的P2Q2和PQ倍,PIB值随f参数和光束模式数m的减小而增加。当桶宽较小时,PIB随P(P<Q)增加而增加。

高斯光束特性分析及其应用

为了在实际应用过程中更好地理解和应用高斯光束的特性,采用理论计算公式推导了桶中功率、到靶功率密度、亮度的公式,对几种特殊情况的归一化参量进行了计算和对比,并对实际使用中容易产生混淆的问题进行了分析。结果表明,该研究对于激光系统的设计和使用具有一定的参考价值。

光束的几何排布对多重径向阵列光束传输特性的影响

研究了阵列几何排布对多重径向阵列相干和非相干合成光束桶中功率(PIB)的影响。在较小的桶内阵列相干合成光束的PIB值随P增大而增大;非相干合成光束的PIB值与几何排布无关。