基于深度学习的Hermite-Gaussian光束模式分析方法研究

提出了一种基于深度学习的Hermite-Gaussian(HG)光束模式分解方案,利用仿真生成的具有多个模式的模拟样本训练卷积神经网络,并通过训练好的模式识别网络采用迁移学习技术加速模式分解网络的训练过程。通过单次发射的强度图像,训练后的神经网络能够对四模以内所有模式的HG光束实现高效准确的模式分解,获取HG光束的模式振幅和相位信息。实验结果表明,该方法在不同模式数量的识别和分解任务中均表现出较高的精度和稳定性,有望在光通信、光学成像、激光加工等领域得到广泛应用。

基于格林函数法研究分数阶Bessel-Gaussian光束近场传输

为揭示FBG(fractional-order Bessel-Gaussian)光束在近场传输时的光强和相位演化情况,基于光传播的独立性和叠加性原理,通过引入虚光源点,并结合格林函数法,严格推导了FBG光束的非傍轴积分表达式,并进一步利用非傍轴下的各阶修正解,精确计算了FBG光束轴上的光强分布.计算结果表明:对于分数阶Bessel-Gaussian光束的远场传输,利用经典的傍轴近似理论可以得到准确的计算结果,但在近场传输时,傍轴近似理论的计算结果误差很大,只有利用非傍轴修正解才能精确研究FBG光束的近场光学传输.研究结果为将FBG光束更好地应用于近场光学奠定必要的理论基础.

随机电磁高阶Bessel-Gaussian光束在海洋湍流中的传输特性

利用广义惠更斯-菲涅耳衍射积分公式得到了随机电磁高阶Bessel-Gaussian光束在海洋湍流中传输的交叉谱密度矩阵的一般表达式,通过数值计算主要研究了随机电磁高阶Bessel-Gaussian光束在海洋湍流中传输时其在远场输出面的统计特性的变化,包括归一化光谱强度、光谱偏振度、两点的光谱相干度等.数值模拟结果显示海洋湍流能够对随机电磁高阶Bessel-Gaussian光束的归一化光谱强度分布产生影响,随着传输距离的增加,零阶Bessel-Gaussian光束中心出现凹陷,高阶Bessel-Gaussian光束中心会变平坦继而又凹陷下去,不管零阶还是高阶,当传输距离增加到足够远,光强分布都会演变成最终的类高斯分布.x轴上各点的偏振度改变与相干长度δ_(xx),δ_(yy)以及海洋湍流参数有关.x轴上任意一点和原点这两点的光谱相干度也随x的增加而呈振荡变化,并且海洋的均方温度耗散率χT对光谱相干度有影响.

基于格林函数法的奇型Mathieu-Gaussian光束

根据光束传播的独立性和叠加性原理,引入了一组能够产生第一类(2n+2阶)奇型Mathieu-Gaussian光束的虚光源点.利用虚源点技术和格林函数法,计算得到第一类奇型Mathieu-Gaussian光束的严格解析积分表达式.利用该表达式得到了轴上光场分布的积分解析解.以三阶非旁轴修正为例,得到了第一类奇型Mathieu-Gaussian光束保留到三阶非旁轴修正项的轴上光场分布精确解.

基于Lagrangian Gaussian光束的数值方法

给出一种二维非均匀介质波场计算的渐近方法,该方法基于Lagrangian Gaussian光束(简称LGB)系统的波场数值模拟,利用任何一个非均匀介质的光束都是独立连续的,完整的波场即为由所有这些Guassian光束叠加得到的原则构造数值方法,并用数值结果验证了该方法的有效性.

部分相干cosh-Gaussian光束通过大气湍流后的聚焦特性

为了研究部分相干双曲余弦高斯光束通过大气湍流中传输后的聚焦特性,采用了ABCD矩阵光学的方法进行分析研究,取得了光强分布、束腰半径以及桶中功率的解析式,并用于描述部分相干双曲余弦高斯光束通过大气湍流的聚焦特性。结果表明,在不同湍流强度下,部分相干双曲余弦高斯光束和双曲余弦高斯光束在经过大气湍流后有不同的聚焦特性;使用桶中功率和束腰半径作为评价参量,大气湍流对完全相干双曲余弦高斯的影响更严重;大气湍流对聚焦部分相干双曲余弦高斯光束的影响要大于准直光束。该结果对部分相干光束聚焦特性的研究有一定的理论指导意义,对合成光束傍轴聚焦系统的设计有工程指导意义。

Bessel-Gaussian光束在分数傅里叶变换面上的光强分布

利用广义衍射积分方法,研究了Bessel-Gaussian(BG)光束的分数傅里叶变换特性,推导出了BG光束通过分数傅里叶变换光学系统后,光场分布的解析公式,利用该公式对BG光束经分数傅里叶变换后光强的分布规律进行了数值分析。研究结果表明,分数傅里叶变换阶数p对BG光束的光强分布有明显影响,光强分布随分数傅里叶变换阶数p呈周期性变化。

小级数Ince-Gaussian光束光强模式分析

研究了因斯-高斯(IG)光束级数m较小时,分立光瓣模式的光强分布。通过数值模拟,对IG奇偶模式以及奇偶模式线性叠加生成的PIG分立光瓣模式的光强进行了分析。分析结果表明:m较小时,PIG分立光瓣模式光瓣的空间位置介于奇偶模式之间,但是光瓣的光强分布变化较为明显。同一模式光瓣角向椭圆变量越接近于椭圆长轴,其光强比重越大。在统一总光强后,相同阶数与级数的不同模式光瓣总光强与角向椭圆变量差为一个三次函数的关系。对于偶模椭圆长轴上的光瓣,随着该模式通过PIG^(π/2)模式转化为奇模,该光瓣上的光强分布逐渐由弥散向着逆时针方向集中。

梯度折射率介质对复变量sinh-Gaussian光束传输的影响

为了研究梯度折射率介质对复变量双曲正弦高斯光束的传输影响,利用广义惠更斯-菲涅耳衍射积分法推导出了复变量双曲正弦高斯光束在梯度折射率介质中的传输场,运用空间二阶矩的定义解出了光斑尺寸及其变化率的表达式,并进行了数值模拟分析。结果表明,光斑尺寸及其变化率随传输距离的增加呈周期性变化,周期由折射率系数决定;随光束参量的改变,光斑位置不变,周期性不变,但是光斑尺寸的振荡幅度要发生改变;通过调整这些参量,可以改变光斑尺寸及其位置。此项研究对大功率半导体激光器等方面的开发应用有帮助。

有限能量Olver-Gaussian光束通过电光晶体的光强分布特性

基于广义惠更斯-菲涅耳积分公式,研究了傍轴近似下有限能量Olver-Gaussian光束经过铌酸锂电光晶体的光强分布特性。得出了这类光束经单轴晶体垂直于光轴的电场和光强解析式,基于此,探究了一阶Olver光束在电光晶体不同横截面上的光强分布和光波侧面传输光强图,并得出了外加电场和光波中心位置及中心光斑相对光强变化的定量关系;对传统三类单轴晶体的光波演变特性也进行了分析。

基于锥形掺镱光纤实现20 kW高光束质量激光输出

锥形光纤能够有效兼顾非线性效应抑制和模式控制,具备实现高功率、高光束质量光纤激光的潜力。近期国防科技大学研制了锥形掺镱光纤,采用1 018 nm光纤激光后向级联泵浦实现了20.2 kW激光输出,光束质量β因子平均值优于2,拉曼抑制比为33 dB。研究结果展示了锥形光纤在实现万瓦级高光束质量激光方面的优势。

基于单激光束信息的掘锚装备视觉定位方法研究

煤矿井下掘锚装备智能化是改善行业采掘失衡问题的关键,而掘锚装备的精确定位是实现其智能化的前提。与其他传统定位方法相比,基于视觉的位姿测量方法以其无接触、无累计误差的优势在煤矿井下得到了初步的应用。针对目前煤矿井下掘进工作面掘锚装备视觉定位方法存在的合作标靶结构复杂、标定繁琐的问题,结合掘进工作面原有激光指向仪特征,提出一种基于单激光束信息的掘锚装备视觉定位方法。该方法通过分析激光指向仪光斑及光束图像特征,提出了一种基于二维反正切函数拟合的激光光斑中心提取方法和基于Hough直线检测的激光束中心线提取方法,构建了基于点线特征的双目视觉位姿解算模型,得出了掘锚装备在巷道中的实时位姿。最后,为了验证提出的特征提取方法和视觉定位方法的可行性和准确性,在实验室模拟掘进工作面工况环境搭建平台进行了试验。结果表明:基于矿用激光指向仪信息的掘锚装备视觉定位方法具有较高的位姿测量精度。在50 m的测试范围内,机身位置在巷道坐标系下沿X轴、Y轴和Z轴的平均测量误差分别为25.44、58.64、31.08 mm,其最大误差分别为55.16、127.39、63.57 mm;机身姿态在巷道坐标系下的俯仰角、偏航角和横滚角的平均测量误差分别为0.22°、0.22°、0.41°,其最大误差分别为0.29°、0.37°、0.58°。满足煤矿井下巷道施工的定位精度要求。

基于涡旋高斯光束的自成像效应数值实验

涡旋光束的传输动力学行为是光学领域研究的热点之一。该文采用理论分析与数值模拟相结合的方法,研究了经典光学涡旋、非对称幂指数光学涡旋和对称幂指数光学涡旋三类不同涡旋高斯光束的传输行为。结果表明,在自由空间中三类光学涡旋高斯光束均可产生整数、分数自成像效应,其自成像距离与无光学涡旋高斯光束产生的自成像现象的复现距离一致。自成像平面上光场结构由一系列周期性阵列光束构成,其光强分布与涡旋相位的拓扑荷数和幂指数阶数密切相关。对于所施加的三类光学涡旋,阵列波束表现出了圆环、螺旋及花瓣型三类不同的光场分布,但是其相位分布基本保持不变。该研究为系统认识周期性涡旋光束的演化动力学行为,以及获得新颖的结构光束提供了新的思路和方法。

内腔式非稳腔DF激光光束质量研究

激光光束质量是衡量激光器应用性能的重要指标之一,面向远距离光电对抗应用场景,本文开展了非链式脉冲氟化氘(DF)激光器非稳腔设计和光束质量提升技术研究。设计了3组不同放大倍率的正分支虚共焦非稳腔,搭建了凸面腔镜横向和轴向两种支撑结构的非稳腔实验装置,其中横向支撑结构内置循环水冷却通道。以86.5%环围能量定义激光光斑大小,选用β因子评价激光光束质量,比较两种支撑方式下的输出能量和光束质量。研究发现:相同条件下,轴向支撑结构的非稳腔输出能量较横向支撑结构高6%,但远场发散角较横向支撑大9%;水冷横向支撑结构虽存在部分能量遮挡,但其较好的热稳定性显著提升了激光光束质量。在M=2.25的横向支撑内腔式非稳腔条件下获得了光束质量因子β=1.83、发散角θ_(0.865)=0.63 mrad的激光光束。该条件下的激光单脉冲能量为2.34 J,激光脉宽为88.2 ns,峰值功率达到26.5 MW。

固体激光器涡旋光束产生实验系统设计与实现

高质量的涡旋光束在量子信息、激光雷达、激光通信等领域有着广泛的应用前景。为了用固体激光器直接产生涡旋光束,该文基于谐振腔模式与激光介质作用的速率方程,阐述了在二极管端面泵浦固体激光器中通过环形光泵浦产生拉盖尔-高斯涡旋光的原理。设计了环形光泵浦固体激光器产生涡旋光的实验方案并搭建了实验系统。实验产生了角向阶次为1阶、2阶的涡旋光束,相位涡旋手性可通过微调谐振腔输出镜调节。该实验能够使学生利用固体激光器直接产生涡旋光束并观察涡旋光束的相位特性,有助于学生加深对激光谐振腔模式理论及涡旋光束相位特性的理解,为相关专业学生的课程教学提供有力支撑。

基于不同变系数和势场的分数系统中二次相位调控厄米-高斯光束动力学

本文基于带有不同变系数和势的分数薛定谔方程,研究了二次相位调制(QPM)下厄米-高斯光束的演化特性.在自由空间中,光束聚焦位置随着正QPM系数的增加或莱维指数的减小而变大.QPM为负时,光束聚焦消失.在余弦调制和QPM共同作用下,光束的传输不再遵循余弦规律振荡,而是表现出一大一小的呼吸结构,其演化周期会随调制频率的增加而降低.引入线性调制时,分裂光束的运动轨迹呈现抛物线状.在线性调制和QPM共同影响下,光束呈现出聚焦或聚焦消失的特性.当考虑幂函数调制和正QPM共同影响时,在莱维指数较小时,光束在一定传输距离内保持不失真的直线传输.当线性势作用时,光束的分裂随着线性系数的增加而逐渐消失,最终呈现周期性演化.在加入QPM后,光束会得到明显放大.另外,光束演化周期与线性系数成反比,横向振幅随着莱维指数的增加而变大.当抛物势和QPM共同作用时,光束会呈现出自动聚焦,散焦效应,聚焦频率会随着莱维指数和抛物系数的增加而变大.这些特性在光学操纵,光学聚焦等领域具有潜在的应用价值.

基于简单无参注意力卷积神经网络的涡旋光束模态识别

由于大气湍流的影响,涡旋光在大气中传播时会产生相位畸变,造成接收端模态检测困难,导致通信系统的可靠性降低。为提高涡旋光束模态检测准确率,提出了利用简单无参注意力卷积神经网络(S-ConvNeXt)检测拉盖尔-高斯光束模态的算法。结果发现:该网络可有效聚焦于关键亮斑特征。当光束分别经过较弱湍流、中等湍流、较强湍流和强湍流传输2 km后,本征态检测准确率分别为100%、98.8%、96.4%和89.7%,叠加态检测准确率分别为100%、99.8%、98.8%和96.5%。在强湍流下,S-ConvNeXt网络本征态检测准确率比ResNet50、ShuffleNetV2、ConvNeXt网络分别提高5.7%、3%、1.2%,叠加态检测准确率分别提高5.7%、4%、0.9%。S-ConvNeXt网络能够有效提高模态检测准确率,尤其在强湍流条件下表现更好。

异常涡旋光束在吸收性海洋湍流中的传输特性研究

为了分析海水的吸收和湍流特性对涡旋光束传输性能影响,在同时考虑海水的吸收效应和湍流效应的基础上,推导出了异常涡旋光束的轨道角动量(OAM)模式探测概率的解析表达式,并详细讨论了吸收性湍流海水对异常涡旋光束的螺旋相位谱、探测概率以及串扰概率的影响。仿真结果表明:海水的吸收效应不可忽略,它会导致探测概率下降;吸收性海洋湍流会导致螺旋相位谱扩展,并且随着OAM模式数的增加,螺旋相位谱的扩展程度变大;随着海洋湍流的温度方差耗散率、温度与盐度贡献比的减小,以及湍流动能耗散率的增大,OAM模式的探测概率增大,串扰概率减小。

圆振荡激光束提高激光弯曲成形效率

激光弯曲成形技术常用的激光类型是点激光,在温度梯度机理的作用下单次成形角度有上限,在3°左右。为了增大点激光单次成形角度,提高成形效率,本文以不锈钢304板为对象,通过试验对比探索了将圆振荡模式应用于激光弯曲成形中以提高弯曲角方法的可行性;并且借助于三维视觉传感器测量板件在圆振荡激光束弯曲成形过程中的动态响应,从余热效应、吸收率等角度分析其弯曲成形机理。对比试验结果显示,在激光能量密度较高的情况下,圆振荡模式确实可以明显提高工件的弯曲角,增长率在60%左右。同时,三维视觉传感器的测量结果显示出了板件在成形过程中的复杂形变与角度变化过程:板件在长度与宽度方向上均产生了塑性变形,长宽形变比约为10∶1;单次扫描成形板件弯曲角增长过程呈现不同的增长曲线;多次扫描成形弯曲角分布不均衡。此外,板件厚度也逐渐增加,热影响区微观晶粒得到细化。为进一步理解圆振荡激光束弯曲成形过程与机理提供了试验支撑。

锋芒光束抑制大气湍流的研究进展与展望(封面文章·特邀)

大气的随机起伏会引起光束的畸变、扩展、漂移和闪烁等湍流效应。常用的抑制方法主要有自适应光学技术、信号处理技术和无衍射光束传输技术等,这些技术存在系统复杂或者效果不理想等问题。近年来,一种名叫锋芒光束的特殊光束被提出并用于抑制大气湍流,受到学术界广泛关注。锋芒光束在传输过程中具有自聚焦的特点,经过焦点后退化为类贝塞尔光束继续向前传输。随着对锋芒光束的深入研究,为了适应多种复杂的应用环境,其衍生的锋芒涡旋光束和稳定光束也被发现具有极高的研究价值。经过同等强度的湍流传输,锋芒涡旋光束比起LG涡旋光束在质心偏移和抖动量改善了50%以上。稳定光束在20 mm的传输距离范围内,其参数积仅为高斯光束参数积的49.40%。锋芒光束被证明可以有效抑制大气湍流,并实现长距离稳定传输。使用锋芒光束进行大气传输,系统结构简单、成本低,抑制湍流实时性高、效果好。文中综述了锋芒光束的产生、传输特性和应用研究,并对其发展趋势和应用前景进行了展望。