Laser shaping and optical power limiting of pulsed Laguerre–Gaussian laser beams of high-order radial modes in fullerene C60

We study the strong nonlinear optical dynamics of nanosecond pulsed Laguerre–Gaussian laser beams of high-order radial modes with zero orbital angular momentum propagating in the fullerene C60molecular medium. It is found that the spatiotemporal profile of the incident pulsed Laguerre–Gaussian laser beam is strongly reshaped during its propagation in the C60molecular medium. The centrosymmetric temporal profile of the incident pulse gradually evolves into a noncentrosymmetric meniscus shape, and the on-axis pulse duration is clearly depressed. Furthermore, the field intensity is distinctly attenuated due to the field-intensity-dependent reverse saturable absorption, and clear optical power limiting behavior is observed for different orders of the input pulsed Laguerre–Gaussian laser beams before the takeover of the saturation effect;the lower the order of the Laguerre–Gaussian beam, the lower the energy transmittance.

Calibration of quantitative rescattering model for simulating vortex high-order harmonic generation driven by Laguerre–Gaussian beam with nonzero orbital angular momentum

We calibrate the macroscopic vortex high-order harmonic generation(HHG)obtained by the quantitative rescattering(QRS)model to compute single-atom induced dipoles against that by solving the time-dependent Schr?dinger equation(TDSE).We show that the QRS perfectly agrees with the TDSE under the favorable phase-matching condition,and the QRS can accurately predict the main features in the spatial profiles of vortex HHG if the phase-matching condition is not good.We uncover that harmonic emissions from short and long trajectories are adjusted by the phase-matching condition through the time-frequency analysis and the QRS can simulate the vortex HHG accurately only when the interference between two trajectories is absent.This work confirms that it is an efficient way to employ the QRS model in the single-atom response for precisely simulating the macroscopic vortex HHG.

Tailoring OAM spectrum of high-order harmonic generation driven by two mixed Laguerre–Gaussian beams with nonzero radial nodes

The extreme ultraviolet(XUV)light beam carrying orbital angular momentum(OAM)can be produced via high-order harmonic generation(HHG)due to the interaction of an intense vortex infrared laser and a gas medium.Here we show that the OAM spectrum of vortex HHG can be readily tailored by varying the radial node(from 0 to 2)in the driving laser consisting of two mixed Laguerre-Gaussian(LG)beams.We find that due to the change in spatial profile of HHG,the distribution range of the OAM spectrum can be broadened and its shape can be modified by increasing the radial node.We also show that the OAM mode range becomes much wider and its distribution shape becomes more symmetric when the harmonic order is increased from the plateau to the cutoff when the driving laser has the nonzero radial nodes.Through the map of coherence length and the evolution of harmonic field in the medium,we reveal that the favorable off-axis phase-matching conditions are greatly modified due to the change of intensity and phase distributions of driving laser with the radial node.We anticipate this work to stimulate some interests in generating the XUV vortex beam with tunable OAM spectrum through the gaseous HHG process achieved by manipulating the mode properties of the driving laser beam.

双自由曲面光束整形系统的虚拟面迭代设计法

双自由曲面光束整形系统可在不改变光束相位分布的情况下实现光束空间光强分布的按需调控,然而其需要设置虚拟平面来进行双自由曲面面形的求解。研究发现,传统单一虚拟面法在应用于结构紧凑和扩束倍率较大的系统时,存在设计不精准、整形效果差等缺陷,为此,提出了一种基于虚拟面迭代策略的双自由曲面光束整形系统设计方法。基于不同参数的同轴透射式和离轴反射式光束整形系统的数值仿真研究结果,表明该方法可有效规避传统虚拟面法的局限性。以将束腰半径为5 mm的高斯光束整形为半径30 mm的准直平顶光束的透射式双自由曲面光束整形系统为例,虚拟面迭代法所设计的光束整形系统将光强分布均匀性和能量利用率相对于单一虚拟面法而言分别提升了2.93%和8.93%。

具有竞争非线性损耗介质中非局域光孤子的研究

利用JUNG P S等提出的竞争非局域模型,研究了高斯光束在竞争非局域非线性损耗介质中的传输特性。利用变分法得到孤子参数之间的解析关系式,在此基础上给出无损耗情况下亮孤子临界功率和亮孤子势能函数。利用势能函数分析了无损耗情况下亮孤子宽度和入射功率的关系。当损耗较小时,入射功率在小于、等于和大于临界功率情况下,亮孤子均以准呼吸子形式传输,在传输过程中光束宽度逐渐增大。该变分结论与数值结论相符。最后,利用平方算子迭代法求出无损耗时的孤子解,并把该孤子解作为分步傅里叶算法的初始输入仿真了小损耗和小增益时的光束传输特性。当有小增益时,亮孤子也以准呼吸子形式传输,传输过程中光束宽度逐渐减小。研究结果表明,损耗或增益的存在对光束传输影响的效果很明显,可以利用材料的损耗或增益对光束整形。

高斯光束整形系统的光学设计

研究了真实光线追迹优化光学系统的方法以简化高斯光束整形系统的光学设计。理论分析了高斯光束整形原理,并选择超洛伦兹函数作为平顶光分布函数;根据能量守恒原理,推导了高斯光束整形系统中任意光线在入射面与出射面的坐标变换关系。针对该系统的特点,使用Zemax编程语言(ZPL)编写计算坐标变换的ZPL宏指令,并优化设计了高斯光束整形系统。最后,利用金刚石单点车削法加工该非球面光学系统,并利用光束分析软件对系统的整形效果进行了测试。测试结果表明,利用该方法设计的非球面透镜实现了高斯光束的整形变换,平顶光的均匀度为87.1%。该方法简单实用,计算量小,可应用于实际工程设计。

定向棱镜腔平顶高斯激光束特性的研究

在XeCl准分子激光器中 ,采用定向棱镜作为端反射镜与平面输出镜构成激光器谐振腔 ,获得了近场能量分布均匀、远场能量分布高度集中的相干平顶高斯激光束输出 ,并具有腔镜高抗失调能力 。

线激光束均匀化整形方法研究

为解决核物理工程、表面热处理、激光加工、激光通信中传输激光束的均匀性问题,提出采用三角楔柱透镜改善线激光均匀性的新方法,并在ZEMAX开发环境下建立了整形光路系统的理论模型。利用所建立的模型,分析了整形柱透镜在不同半径、斜面夹角、透镜介质折射率等参数下光束的均匀性。研究表明:在远场条件下,通过改变整形柱透镜的参数,能够得到能量分布均匀的线激光。在实际应用中,可以采用1个半圆柱和2个相同三角楔胶合成型的简单工艺。进一步模拟发现,两种整形系统所得到的均匀度和线宽一致。

基于非球面柱透镜的激光束整形

提出了一种基于非球面柱透镜的激光束整形系统.该系统采用一组正交放置的非球面柱透镜实现对高斯光束的整形,能够获得较大长宽比、等光强分布的矩形光束输出.理论分析了高斯光束整形原理,由能量守恒定律推导出高斯光束整形系统中任意光线在入射面和出射面的坐标变换关系,使用ZEMAX编程语言编写坐标变换的ZPL宏指令并生成优化函数,设计并优化了整形系统.仿真设计得到了光强均匀度高于95%,能量利用率在90%以上的准矩形光输出.结果表明该方法整形效果理想、计算量小、简单实用.

高功率光纤激光焊接铝合金焊缝成形特征研究

为了探究铝合金高功率光纤激光焊接焊缝成形特征与规律,采用高斯光束与平顶光束对3mm厚5052铝合金进行激光对焊,对比分析了不同光束模式下的焊缝成形特征与激光功率、扫描速率对焊缝成形的影响。结果表明,平顶光束焊接主要为热导模式,熔池呈U型,易产生气孔、裂纹等缺陷;高斯光束焊接有4种模式,随着激光功率和扫描速率的变化,4种模式相互转化,深熔焊模式下,熔池形貌呈"丁字"型;扫描速率为20mm/s时,高斯光束有效深熔焊的下、上临界功率密度分别为8.8×10~5W/cm^2和9.2×10~5W/cm^2;激光功率为2.7k W时,高斯光束有效深熔焊的下、上线能量分别为77J/mm和90J/mm;在满足深熔焊所需功率密度条件下,线能量可作为激光深熔焊接的一个判据,线能量和功率密度对焊接模式与熔池形貌共同起决定性作用。

非球面透镜组激光光束整形系统

在激光显示等领域常常需要光强均匀分布的激光光束,为此,深入分析了一种非球面透镜组激光光束整形系统的设计方法,该方法可以将入射光束为准直的单模高斯激光光束整形为光强均匀分布的准直平顶激光光束;给出了该非球面透镜组设计的基本过程,主要包括输出光束函数的选择、光线映射函数的确定和非球面参数的确定;最后选择光线映射函数具有解析解形式的匀化洛伦兹函数作为输出光束分布函数,分别确定了伽利略型和开普勒型的非球面透镜组激光光束整形系统的参数。

平顶高斯光束通过扩束系统的传输特性研究

为了研究平顶高斯光束通过扩束系统的传输特性,从柯林斯衍射积分公式出发,推导出场强分布的解析式。以伽利略式和开普勒式这两种常见的扩束系统为例,对平顶高斯光束扩束后在接收面的光强分布进行数值计算及分析。结果表明,平顶高斯光束通过同等倍数但不同形式的扩束系统的传输特性不同,且对于不同焦距的扩束系统,其传输特性也有比较明显的差别;平顶高斯光束通过开普勒式扩束系统,不仅在成像面距离获得平顶光束,还可在一定轴向范围之内保持平顶分布,并且轴向范围和所选扩束系统的放大倍数有关,随着放大倍数的增大,轴向范围也增大。

平顶高斯光束在梯度折射率介质中的传输特性

利用广义惠更斯-菲涅耳衍射积分法,推导出平顶高斯光束在梯度折射率介质中传输时的解析表达式,对平顶高斯光束在梯度折射率介质中的传输特性进行了分析,讨论了介质梯度折射率系数和光束阶数对传输特性的影响。研究表明,平顶高斯光束在梯度折射率介质中传输时轴上光强分布呈现周期性变化,其周期决定于介质梯度折射率系数,而与光束的阶数无关;轴上峰值处的横向光强分布受梯度折射率系数和光束阶数的影响较大,横向光强的最大值随着梯度折射率系数的增大而增大。

反射式椭圆高斯光束平顶整形系统

为了将椭圆高斯光束整形为圆形平顶光束,设计了一种无中心遮拦反射式两镜整形系统。根据能量守恒思想,选择匀化洛伦兹函数作为出射光束平顶分布函数,建立了入射面和出射面之间的坐标变换关系;采用光程守恒原理和矢量形式的反射定律,推导了积分形式的整形系统两反射镜面形方程。利用数值解法计算出两反射镜的面形数据,经过光学设计软件仿真与系统参数分析,得到的圆形平顶光束在目标区域的照度均匀性大于95%。结果表明,这种整形系统可以明显提高椭圆高斯光束的平顶性,具有现实可行性。

平顶高斯光束经含失调圆孔光阑的失调光学系统的传输特性

为分析平顶高斯光束通过光学系统传输时圆孔光阑失调和光学元件失调对平顶高斯光束传输特性的影响,利用失调圆孔光阑的近似展开式和适用于失调光学系统的广义衍射公式,得出了平顶高斯光束经含失调圆孔光阑的失调光学系统传输的近似解析式,给出了输出光束场分布与光束参量、光阑孔径尺寸、光阑和光学元件失调量等的定量关系.针对特定光学系统定量分析了各失调量对输出光束场分布的影响,结果表明各元件失调都对输出光束强度分布产生较大影响.但在各失调量较小的情况下,透镜失调对输出光束传输特性的影响比光阑失调对输出光束传输特性的影响更明显.

高斯光束整形为平顶光束的双凸非球面镜的数值模拟与分析

在高斯光束整形为平顶光束的理论基础上,通过数值模拟,具体分析几个特性参数对两个凸非球面镜的子午截面曲线的影响,根据ZEMAX等光学软件对非球面镜子午截面曲线表达式输入要求,拟合得到误差尽可能小的双凸非球面镜系统结构。

双曲余弦平方高斯光束的传输特性研究

考察了双曲余弦平方 高斯光场在一阶光学系统中的传播性质 ,发现在近场衍射区 (Fresnel衍射区 ) ,其光场强度分布几乎与输入平面上的场强分布结构没有差别 。

相位屏法研究平顶高斯光束的大气传输特性

由于理论研究和实验研究的局限性,用随机相位屏描述湍流大气对激光束的影响,模拟了平顶高斯光束经湍流大气传输时的远场光斑,并进行了统计分析。结果表明,平顶高斯光束经弱湍流大气传输时,短曝光光斑由中心小暗斑和外侧不规则的亮斑组成,湍流增强使光斑破碎,光强分布杂乱无章;对长曝光光斑而言,弱湍流情况下,光斑形状规则,光强分布存在中心凹陷现象,湍流增强使光斑变为椭圆,但光强变为近似成高斯分布。对于本文的参数值,湍流强度为C2n=10-16m-2/3时,光斑质心沿x和y方向分别在[-7.5 mm,7.5 mm]和[-10 mm,10 mm]随机变化,湍流增强使质心漂移标准差变大,同一湍流情况下,平顶高斯光束质心漂移的标准差要比高斯光束小。

平顶高斯光束的解析传输公式

该文从Collins公式出发,对平顶高斯光束的传输特性进行了研究,推导出了其通过ABCD光学系统的解析传输公式,并且给出了计算例子.研究表明:N阶平顶高斯光束通过ABCD光学系统后的传输可以表示为N个合流超几何函数(库默尔函数)的叠加.

激光光束的整形技术

本文简要概括了激光光束整形技术的发展和研究现状。就几种典型的光束整形技术,如非球面透镜组整形、微透镜阵列整形、衍射光学元件整形、双折射透镜组整形、液晶空间光调制器和圆锥镜等整形技术作了分类评述和讨论。介绍了各种整形的技术特点和实现方法,指出了这些整形技术尚待解决的一些问题,并展望了它们的可能应用领域和发展前景。