圆偏振涡旋激光脉冲驱动等离子体产生飞秒磁脉冲的研究

飞秒磁场脉冲对研究超快磁化、超快退磁、超快磁存储和自旋超快动力学等过程具有重要意义。传统的脉冲磁场受限于脉冲电源性能无法获得毫秒量级以下的超短脉冲磁场,无法研究飞秒尺度的磁动力学过程。利用超短脉冲激光驱动等离子体产生旋转电流是目前产生飞秒磁场脉冲的有效方法。本文利用质点网格法模拟圆偏振拉盖尔高斯光束驱动等离子体中的电子运动从而产生光电流以及飞秒磁脉冲的过程,模拟产生了特斯拉量级的飞秒超短磁脉冲,并系统讨论了驱动激光强度与等离子体密度对磁脉冲的影响。结果表明,脉冲磁场的脉宽与驱动光一致,其强度随着激光场强度、等离子体密度增加而增加。通过本文研究寻找产生飞秒磁脉冲的优化实验参数,有望将超快磁动力学研究推进到飞秒时间尺度。

基于腔内选模的全固态涡旋激光器及手性控制

涡旋激光是指中心光强为零且携带轨道角动量的激光光束。近年来,由于其在粒子操控、信息通信以及超分辨成像等领域的独特应用,涡旋激光的产生及其手性控制技术得到广泛关注。对固体激光器腔内直接振荡产生涡旋激光的技术进行归纳总结,并分析其优缺点。对驻波腔内不同手性涡旋激光的光场传输进行理论模拟,给出涡旋激光在固体激光腔内的光场分布。结合不同手性涡旋激光的场分布特征,综述了腔内直接振荡产生涡旋激光过程中的手性控制技术,并对各种手性控制技术的原理与技术方案进行比较分析。

基于腔内球差选模的超高阶拉盖尔-高斯涡旋激光

利用不同阶拉盖尔-高斯(LG)模式激光具有不同光束尺寸的特性,在激光谐振腔内使用短焦距透镜引入球差,使各阶LG模式激光的空间光路发生分离,从而实现对高阶横模的选择并产生高阶LG模式涡旋激光输出。通过对高阶LG模式激光的聚焦特性和透镜球差进行分析计算,给出了高阶LG_(0,±m)模式涡旋激光的角向指数(m)随谐振腔参数变化的理论模型。搭建端面泵浦的1064 nm Nd∶YVO_(4)激光器开展了实验研究,在2.06 W泵浦功率下获得了角向指数可便捷调控且m最高可达到280的超高阶LG_(0,±m)涡旋激光输出。实验产生的超高阶涡旋激光具有良好的功率和模式稳定性,模式变化规律与理论计算结果相符。通过增加泵浦功率或优化泵浦交叠以提高激光增益,理论上可以产生任意高阶的涡旋激光输出。研究结果为超高阶LG模式涡旋激光的产生提供了参考。

Yb···GdYCOB晶体涡旋激光器

采用光强分布为环形的半导体激光器端面抽运Yb…GdYCOB晶体,实现了激光谐振腔直接发射涡旋激光。通过测量输出激光光束的空间强度分布、光束品质因子、光束纯度以及光束的波前相位信息,证实激光器输出的光束为高纯度涡旋光束。当抽运功率为3.2W时,最大输出功率为281mW,光-光转换效率为8.7%,斜率效率为21.7%。

基于光纤随机激光的1.7μm波段高功率涡旋光束产生

1.7μm激光处于眼安全波段并位于许多重要气体分子的指纹吸收峰,在生物医疗、气体传感等领域具有重要应用价值。而涡旋光束作为一种新兴的结构光场,其具有环形光强分布和螺旋相位波前,并携带轨道角动量,在光通信、微粒操控等领域应用广泛。因此发展1.7μm高能涡旋激光器具有重要的研究价值和应用前景。但传统稀土离子掺杂光纤或晶体的发射谱,或难以覆盖该波段,或在该波段激光增益较小,且涡旋光产生主要基于空间光结构,导致1.7μm波段涡旋光激光系统复杂、集成度低,难以实现高功率输出。本文利用螺旋长周期光纤光栅作为涡旋模式转换器,在基于受激拉曼散射效应的1.7μm波段光纤随机激光半开放腔中实现了全光纤结构的高功率涡旋激光输出,最大输出功率为2.09 W,中心波长为1690 nm。得益于涡旋光纤随机激光器的全光纤结构,该装置具有良好的时域稳定性,短时时域波动低至2.8%。该研究结果不仅为实现兼具高功率输出和良好时域稳定性的紧凑型1.7μm波段涡旋激光器提供有效方案,还能进一步拓展其在激光医疗、气体检测、光镊和生物成像等领域的应用。

大气湍流像差散焦和像散与高斯涡旋光束焦面光强

分别研究了构成大气湍流波像差中的散焦和像散两个低阶像差对高斯涡旋激光束传输和成像的影响.采用菲涅耳-基尔霍夫衍射积分理论和大气湍流波相位结构函数的平方近似研究了聚焦高斯涡旋光束在大气湍流中散焦和像散影响下焦面光强的分布特性.导出了斜程传输条件下接收面上平均光强分布的积分表达式,并采用数值模拟方法研究湍流强度、传输距离和拓扑电荷对焦面光强的调制规律.结果表明:在弱湍流起伏区域,散焦和像散两类像差对高斯涡旋光束的光强分布影响都很小,可以忽略;在中等湍流区域,随着光束传输距离和湍流强度的增加,两类像差都导致高斯涡旋光束的光强峰值降低、束径扩展、中心暗斑扩大.当单拓扑电荷高斯涡旋光束传输时,在同等传输条件下,像散导致的光强峰值降低比散焦更严重,主亮斑区域外的次级亮环强度更大,光斑和中心暗斑扩展更明显.与单拓扑电荷光束相比较,散焦和像散导致双拓扑电荷光束的扩展更加明显,中心光斑更大,亮环区域外的次级亮环更明显;但是,由于光的相干性的降低和光束的偏折效应,像散导致光束中心的暗斑变为次级亮斑.