超短脉冲Bessel光束和空间诱导色散效应

给出了含时的波动方程的一族特解——超短脉冲 Bessel光束 ,其脉冲光束的空间和时间部分可以做分离变量 ,空间部分在传输过程中保持 Bessel光束不变 ,而时间脉冲部分的传输行为类似于在普通色散介质中的传输 。

全固态调Q激光器产生脉冲Bessel光束

使用连续式输出的砷化镓半导体激光器泵浦的掺钕钒酸钇激光器作为光源,被动式通过轴棱锥产生Bessel光束。在激光谐振腔内加入Cr4+:YAG晶体调Q产生脉冲Bessel光束。理论模拟了1064nm波长光束经过轴棱锥之后的三维传播图和截面光强分布。通过实验得到了1064nm波长脉冲Bessel光束的脉冲宽度和脉冲重复率,并计算得到了单脉冲Bessel光束的能量和峰值功率。利用光束分析仪记录了1064nm波长Bessel光束的截面光强分布,并测量了中心光斑的直径,得到的数据与理论计算基本吻合。

类贝塞尔脉冲光束传输中的空间诱导色散效应

利用空间诱导色散概念,从理论上研究了等束腰宽度的类贝塞尔脉冲光束在自由空间中传输性质.在一阶近似的情况下,类贝塞尔脉冲光束的空间和时间部分可以做分离变量,空间部分在传输过程中保持类贝塞尔光束传输的特性,而时间波形部分的传输遵循空间诱导色散理论.利用数值模拟方法模拟了Bessel-Gauss脉冲光束和elegant Laguerre-Gauss脉冲光束的传输.结果证实,只要传输距离小于类贝塞尔光束的无衍射距离,空间诱导群速度色散理论能够很好地描述类贝塞尔脉冲光束脉冲形状的演化过程.

超短脉冲激光光束在一维反射型体全息光栅中的衍射

基于Kogelnik的耦合波理论,研究了在色散效应的影响下,超短脉冲激光光束在反射型体全息光栅中衍射的性质·研究给出了衍射光及透射光在频谱域及时间域的振幅及强度分布、光栅的光谱宽度及衍射效率随光栅参量及入射条件的变化·数值研究的结果表明,在光栅记录介质色散效应的影响下,衍射光束的光谱宽度减小,脉冲展宽,衍射效率降低·通过适当的选取光栅参量及入射条件,可以控制衍射和透射光束的频谱和时间强度分布,得到满意的衍射和透射光束的带宽和波形,从而可以将其应用于脉冲整形等技术中·

光源频谱宽度对Bessel光束亮暗梯度的影响

分析了三种不同频谱宽度的光源(激光、绿光LED和白光LED)产生无衍射贝塞尔(Bessel)光束亮暗环的梯度。分别模拟得到在不同位置的光强截面图,并计算各亮暗环的光强值,引入对比度的计算公式,计算了三种不同频谱宽度的光源产生贝塞尔光束亮暗环的对比度,可以得到频谱宽度越宽的光源产生的贝塞尔光束亮暗环之间的对比度降低,亮暗环强度梯度下降,从而导致囚禁粒子的能力降低。根据三种光源的特性设计了实验装置,并在与理论模拟相应的位置分别拍摄了三种不同频谱宽度光源产生的无衍射光斑图。对实验中拍摄到的光斑图进行对比度计算,可以得知频谱宽度越宽的光源产生的无衍射光束,其截面光斑亮暗环的对比度降低,亮暗环强度梯度降低,囚禁粒子能力下降,理论和实验相吻合。

超高斯光束在超短脉冲激光系统中的传输

为了增大光束的填充因子及提高放大器的能量转换效率,设计了一种新型的空间4程放大器, 该放大器包括四组由凹面镜组成的空间滤波器,它们构成一个全像传递系统。由于有实焦点,放大器置于真空 系统中。放大前,入射的高斯光束首先通过一个软边光阑和一个空间滤波器,被整形为高阶超高斯光束,然后 在放大器中进行放大和像传递。钛宝石晶体置于各空间滤波器的像面和物面上。实验表明,该放大器结构稳 定,可以保持良好的光束质量,远场焦斑达到近一倍衍射极限。

柱透镜聚焦高阶Bessel光束产生焦散光束

研究了高阶Bessel光束经过柱透镜后的光场分布特性.在广义惠更斯-菲涅尔衍射积分理论基础上,推导出高阶Bessel光束透过柱透镜后的衍射光场分布表达式;并利用MATLAB和MATHCAD模拟了不同传播距离处的光强分布.实验上,利用轴棱锥和螺旋相位板产生不同阶数的高阶Bessel光束,并使产生的高阶Bessel光束经过柱透镜,最后用CCD记录下不同距离处的衍射光场.研究结果表明,高阶Bessel光束经过柱透镜形成唇状的焦散光束.

焦点刀口法测量巨脉冲激光的光束发散角

本文介绍了焦点刀口法测量光束发散角的原理，并且实际测出了．

自由空间中超短脉冲光束的非傍轴效应分析

在应用时间与空间傅里叶变换的基础上,运用泰勒展开的方法,得出了一种对多周期超短脉冲光束进行非傍轴修正的方法, 并将其应用于脉冲高斯光束.与数值结果的比较表明,对于束宽在波长量级的脉冲光束,二阶修正已经很接近非傍轴精确解,并在例子中观察到:由于超短脉冲光束中时空耦合效应的存在, 脉冲的时间分布将会影响修正的空间分布.

高功率高光束质量脉冲Nd:YAG激光器

以实现高功率、高光束质量的脉冲激光输出为目的,对非对称平-凹谐振腔的结构进行了理论分析。设计出了高功率、高光束质量非对称放置的平-凹谐振腔、双氙灯泵浦的脉冲Nd:YAG激光器。当占空比为9%时,实现输出激光平均功率近480 W,光束参数积优于12.7 mm.mrad,电光转化效率近4%,与理论分析吻合,可用芯径300μm的光纤传输,不稳定性优于±1%。加工实验证明有较好的质量:切割材料为不锈钢,厚度为3 mm时、切割速度为0.6 m/min和厚度为1.5 mm、切割速度为1.2 m/min时,两种情况下所得切缝宽度均为250μm,且切割上下沿光滑。

超短脉冲高斯光束在线性色散介质中的远场特性

基于瑞利索末菲衍射积分公式,在未作近轴近似的条件下,推导出等束宽超短脉冲高斯光束通过线性色散介质的远场公式,并用于研究其远场特性,所得公式可用于大衍射角情况.结果表明,等束宽脉冲高斯光束的频谱上存在一临界角,小于临界角时,出现蓝移;大于临界角时,出现红移,红移量随着衍射角的增大而增大.而脉冲波形将经历时间移动,移动量随衍射角的增大而增大;远场高斯脉冲波形将不再保持不变.此外,群速度色散将引起啁啾,啁啾量随衍射角的增大而减小.

非傍轴双曲余弦-高斯脉冲电磁光束远场特性

利用矢量瑞利-索末菲衍射积分公式,推导出了非傍轴部分空间相干部分光谱相干双曲余弦-高斯(ChG)脉冲电磁光束在自由空间传输时交叉谱密度矩阵的远场解析公式,并用来表示脉冲电磁光束的光谱密度(光强)和偏振度。结果表明,对非傍轴远场部分空间相干部分光谱相干ChG脉冲电磁光束,其非傍轴性主要由参数f,fαα决定,而离心参数、脉冲宽度和时间相干长度影响其非傍轴行为。非傍轴部分空间相干部分光谱相干高斯-谢尔模型脉冲电磁光束的远场传输可作为特例处理。

Bessel光束纵向振幅特性及参量的影响

利用数值计算从光场振幅的角度研究了 Bessel光束的纵向性质 ,发现 Bessel光束在自由空间中的传播可以理解为我们称之为 Bessel调制光场对另一个振幅为 1的平面波的调制 .又进一步研究了参数对其纵向特性的影响 ,发现 Bessel光束衰减速度 ,决定于β大小 ,而对于振荡性 R起主要作用 ,只有当 β→ 0和 R→∞同时被满足时 ,才能实现理想无衍射光束 .

Bessel光束的矢量分析及其能流密度的特征

通过比较自由空间Besssel光束标量解E(r,t)满足的方程和光场矢量E(r,t)与矢量势A(r,t)之间的关系表达式,利用Bessel的特点,合理构造了矢量势A(r,t)的具体形式,推导出电场量E(r,t)的磁场量B(r,t)各分量满足的具体形式。通过数值计算,给出电场E(r,t)在不同参数θ,φ下与径向坐标ρ之间的关系图线(图1,图2),发现由方程(6)描述的标量解仅是矢量场E(r,t)(方程15描述)在小θ下的近似。通过对能量传输特性的讨论,说明“超光速”的提法是不恰当的。

增大Bessel光束无衍射距离的凹透镜系统

根据传统轴棱锥法产生Bessel光束的原理和凹透镜的几何光学效应,设计并模拟了一套提高Bessel光无衍射距离的光学系统。利用凹透镜的发散特性,将其分别放置在轴棱锥的前方与后方,使用Math CAD软件进行模拟并与传统轴棱锥法进行比较,得出结论:在轴棱锥前方放置凹透镜使Bessel光的无衍射距离从244 mm增大至638 mm,同时增大中心光斑半径。在轴棱锥后方放置凹透镜使Bessel光的无衍射距离从244 mm增大至406 mm。使用He-Ne激光作为光源进行实验验证,实验结果与理论分析及仿真模拟基本一致。可根据实际要求选择凹透镜的曲率半径和位置,得到无衍射距离较大、质量较高的Bessel光束。

椭圆高斯光束产生近似无衍射Bessel-Gauss光

研究了轴棱锥聚焦像散椭圆高斯光束的光场分布特性,根据菲涅耳衍射积分理论导出了椭圆高斯光束经轴棱锥衍射后的光场分布,通过数值积分给出椭圆高斯光束经轴棱锥聚焦后的近轴光场强度分布情况,将其与圆高斯光束产生的近似Bessel-Gauss场进行比较,发现椭圆高斯光束经轴棱锥聚焦后的光束在一定的传播距离内也具有无衍射特性,且轴上光强分布与圆高斯光束产生的Bessel-Gauss光束的轴上光强分布具有相似的形式,而这种无衍射光场的强度在垂直于光轴的平面上不再是柱对称分布。根据近轴球面波产生近似Bessel光束的最大无衍射距离公式计算了椭圆Bessel-Gauss光束在子午面和弧矢面上的最大无衍射距离,整个光束的无衍射距离由入射到轴棱锥上的椭圆光斑短轴方向的尺寸决定。

等衍射长度超短脉冲贝塞耳-高斯光束的传输特性

使用复解析信号法,研究了衍射长度与频率无关的超短脉冲贝塞耳-高斯光束在自由空间中的传输,推导出了解析表达式并进行了理论和计算分析·结果表明:在无衍射长度内,等衍射长度超短脉冲贝塞耳-高斯光束的横向光强分布扩展很小·在无衍射长度之外,横向光强分布有显著扩展·但是,在无衍射长度内轴上脉冲波形仍有展宽·随传输距离增加轴上蓝移单调增加逐渐达到一渐近值·随横向距离增加轴外光谱移动由蓝移变为红移·

脉冲半导体激光器光束并合技术研究

为了提高脉冲半导体激光器达到远场的能量密度,提出采用多个脉冲半导体激光器并合的方法来解决。介绍了光束并合的原理,并且就影响光束并合的因素进行了理论分析与推导,然后采用Matlab模拟分析了各个激光器出光时间同步性对光束合成功率密度与脉宽的影响,以及采用Zemax仿真分析了各个激光器间的轴线平行性以及激光器与准直系统间的同轴性对合成光斑质量的影响,最后通过具体的距离选通实验,验证了光束并合是一种有效地图像提高远场能量密度的手段。

超短脉冲贝塞尔-高斯光束在自由空间的传输特性

使用复解析信号法研究了束宽与频率无关的超短脉冲贝塞尔-高斯光束在自由空间的传输特性。研究表明:在无衍射长度内,超短脉冲贝塞尔-高斯光束的横向光强分布几乎不变并集中在传输轴附近,轴上脉冲随传输距离增加而展宽。在无衍射长度外,横向光强分布显著扩展。随传输距离增加,轴上光谱蓝移先增加,达到极大值后逐渐减小,最后在远场趋于一渐近值。对单周期的超短脉冲贝塞尔-高斯光束的轴上光谱蓝移先增加,达到极大值0.50 fs-1。然后逐渐减小,在远场蓝移趋于渐近值0.16 fs-1。

部分空间和部分光谱相干高斯-谢尔模型脉冲光束在自由空间中的光谱和时间特性

对部分空间和部分光谱相干2维高斯-谢尔模型脉冲光束在自由空间传输的光谱和时间特性做了详细的数值研究。结果表明,部分空间和部分光谱相干高斯-谢尔模型脉冲光束在自由空间传输中发生了光谱移动,光谱移动与场点位置、空间相关长度和时间相干长度有关。在轴上,光谱出现蓝移,相对光谱移动随传输距离的增加而增大,随空间相关长度和时间相干长度的增加而减小,并逐渐趋于一定值。在轴外,光谱出现蓝移和红移,并与空间相关长度和时间相干长度有关。脉冲时间波形不变,对所得主要结果做了物理解释。