涡旋光束的自适应光学波前校正技术

涡旋光束是一种具有螺旋波前的光束,其特点是其光强分布为环形,携带有与螺旋波前结构相关的轨道角动量。由于涡旋光束的角量子数可取任意整数,同时不同角量子数的光束之间相互正交,因此可提高光通信系统的信道容量。但涡旋光束在自由空间传输时会受到大气湍流的影响,进而产生波前畸变,因此需要采用自适应波前校正技术对畸变后的光束进行校正。文中对现有的涡旋光束波前校正技术进行了概述,重点介绍了笔者课题组提出的应用GS相位恢复算法和高斯光束探针相结合对涡旋光束波前畸变校正的技术及应用SPGD算法和泽尼克多项式对涡旋光束波前畸变校正的研究工作。     

采用深度学习校正畸变涡旋光束的方法综述(特邀)

涡旋光束是一种携带轨道角动量的新型结构光场,在超大容量光通信、遥感探测等领域有着广阔的应用前景。涡旋光束在大气等非均匀介质中传输时会产生波前畸变,使得其携带的轨道角动量发生改变,对实际应用产生不利影响,因此需要引入自适应光学波前校正技术对其进行畸变校正。综述了近年来国内外学者在涡旋光束自适应畸变校正方面的研究进展,首先简要介绍了当前较为成熟的涡旋光束畸变校正技术,包括高斯光束探针与波前传感相结合、相位恢复算法与面阵探测技术相结合等技术方案;然后着重介绍了基于深度学习的新型涡旋光束畸变校正技术,包括泽尼克多项式系数反演、湍流相位屏反演等,同时讨论了将深度学习用于涡旋光束畸变校正的优势及局限性;最后展望了涡旋光束自适应畸变校正技术的发展趋势。     

基于自适应光学的大气光通信波前校正实验

为了缓解大气光通信中由于大气湍流的影响而产生的波前畸变、反射等严重影响通信质量的现象,文章采用了自适应光学技术,即对畸变波前进行重构后再利用反射变形镜进行修正的方法,从理论分析、实验研究方面开展了自适应光学修正传输波前的研究工作。研究结果表明：在相同实验条件下,在保持链路误码率定量为（1×10-6）时,使用自适应光学技术比不使用时系统发射功率减小了50%。在近地大气激光通信中,自适应光学技术在增加系统增益,减小系统误码率方面效果显著。     

固体激光器波前畸变自适应校正技术及研究进展

自适应光学(AO)作为一种主动光学补偿技术,由于具有结构简单、校正效果好、可闭环运行等优势,被大量用于校正激光波前畸变,并于近年逐渐应用于高能激光器系统中。综述了AO系统工作的基本原理,系统论述了近年来国内外在AO系统校正固体激光畸变方面的研究进展。按照校正固体激光器波前畸变的AO系统中有无采用波前传感器,将其分为无波前探测和有波前探测的AO校正技术进行介绍,分析了各个研究工作的关键性技术。最后总结了目前存在的技术难题,并对AO技术在固体激光器中的应用前景进行了展望。     

非相干数字全息自适应光学波前校正特性研究

非相干数字全息自适应光学是一种新型的自适应波前探测和校正的技术。它利用全息图可以完整记录光波场的特性进行波前探测,结合适当的数值再现算法对光波前像差进行校正。基于菲涅耳非相干相关数字全息术(FINCH),从理论上阐明了非相干数字全息自适应的基本原理,并给出了数值仿真结果。采用改进的迈克耳孙干涉仪光路配置,分别记录待观测物体与引导星的全息图,利用引导星全息图的复共轭对待测物光波进行波前校正,从实验上定量地研究了引导星尺寸、选取位置对波前校正效果的影响,在系统各光学元件给定的情形下,明确了引导星选择的空间和系统等晕区范围,实现了良好的波前校正效果。     

涡旋光束和光学涡旋

就涡旋光束和光学涡旋的基本特征和原理进行了概述,对其产生、传播及应用进行了介绍.对涡旋光束和光学涡旋的研究动态进行了叙述,并对其未来的研究和应用前景进行了展望.     

基于模糊控制的波前校正技术北大核心CSCD

模糊控制由于不依赖变形镜的响应模型,用于波前校正时具有实用性,其可行性已被证实。对自适应光学系统中模糊比例积分微分(PID)控制的波前校正效果进行了评估,包括对模糊校正带宽的测试、对模糊输入和输出论域的选取以及对模糊规则库以及波面加权模板的优化。实验结果表明,论域的选取合理,采用3×3的波前加权模板效果更好。当PID控制器3个参数矢量K_P、K_I和K_D的初始值都为0时,模糊输出论域采用隶属度正分布的规则库实用性更强。当哈特曼-夏克传感器刷新频率为120Hz时,系统校正带宽为5~6Hz,与常规PID一致。     

自适应光学技术与激光光束质量

在许多应用中,亮度是对激光光束的最重要指标,光束质量因子甚至比激光功率更为重要.自适应光学技术实时测量和校正光束波前误差,从而可以改善光束质量.在激光传输的不同环节,采用自适应光学技术可以进行光束稳定、净化和大气湍流校正. 1985年我们研制了世界上首套用于ICF的激光波前校正系统.研制了数套光束稳定系统用于校正强激光的方向漂移,又进行了强激光光束净化试验. 还研制了37和61单元两套自适应光学系统,先后完成室内湍流模拟池校正试验、公里级水平光路大气补偿试验和上行传输试验. 从1981年起研制了多种变形反射镜和高速倾斜镜. 在光束质量诊断方面研制了紫外、可见到红外波段的哈特曼传感器系列,采样频率从25 Hz到2900 Hz,已用于光束质量诊断、光学系统检验、强光下的镜面变形测量和大气湍流测量.(OG6)     

爬山法自适应光学波前校正系统

利用一个19单元变形反射镜、远场能量集中度探测器和高频振动控制系统,它可以校正静态的和缓慢变化的动态波前误差.实验结果表明该系统可以校正大型激光工程的波前误差,改善其远场能量集中度.     

高功率激光驱动器光束匀滑技术研究（特邀）

激光驱动惯性约束聚变的打靶过程中,光场不同空间频率的不均匀性会引起内爆的流体力学不稳定性、印痕效应和激光等离子体不稳定性。这些不稳定过程将最终影响内爆压缩倍率,从而影响到点火。为了控制焦斑不均匀性进而抑制不稳定过程,人们提出了束匀滑技术:通过光场调控控制焦斑分布特性,进而控制束靶耦合过程。束匀滑可分为空间域匀滑和时间域匀滑。空间域匀滑通过控制波前形态获得平整的焦斑包络,降低低频不均匀性。时间域匀滑通过控制光束的相干性减弱激光焦斑中的散斑,进而减弱中高频不均匀性。随着抑制更高激光功率密度条件下激光等离子体相互作用的需求愈发紧迫,涌现出一些新型的束匀滑方法。文中介绍了束匀滑技术在大型激光装置上的使用情况,并对目前提出的各种束匀滑技术进行了总结和分析。     

涡旋光束的几何坐标变换技术及应用研究进展（特邀）

涡旋光场因其具有光学轨道角动量（Orbital angular momentum, OAM）而倍受关注。OAM这一独特物理特征赋予了涡旋光场一个无限高维的空间自由度,同时也引发了光场奇特的干涉、衍射、传输等性质。OAM识别和探测技术的发展是涡旋光从基础研究走向应用的关键。文中聚焦于OAM探测领域的一个重点研究方向——涡旋光几何坐标变换技术。详细介绍了该技术的基本原理、优势特点、研究进展和应用情况。涡旋光几何坐标变换是指通过特殊的调制相位设计,使涡旋光束的空间几何结构发生特殊的变化,从而可通过简单透镜聚焦等方法实现OAM模式的识别、分选等。相较于传统的涡旋光识别和探测技术,涡旋光的几何坐标变换这一新兴技术具有器件无源、无能量损耗、结构紧凑、价格低廉等突出优势,成为涡旋光的空间分离和解复用的高效有力工具,为涡旋光束在经典/量子态密度测量、OAM乘除法器、经典光通信和量子纠缠等前沿应用提供了全新的研究平台,蕴含巨大的发展潜力,具有广阔的发展空间。     

利用超表面的涡旋光束产生进展（特邀）

涡旋光束因为携带轨道角动量,在光通信、粒子操纵及量子信息等领域都具有重要的应用前景。目前有很多方法可用于产生涡旋光束,如利用螺旋相位板、模式转换、空间光调制器等。然而,传统的方法需要搭建体积相对较大的光学系统,限制了其在集成光学等领域中的应用。不同于传统方法中通过传输效应来获得相位变化,超表面可以通过纳米结构使入射光产生相位突变,在纳米尺度上独立控制动态或几何相位以产生涡旋。超表面具有强大光控制能力的同时,还具有体积小、易于集成等特点,因此成为了产生涡旋光的理想方法。文中在介绍产生涡旋光束基本原理的基础上,回顾了近年来利用超表面产生涡旋光束的研究进展。首先介绍了利用动力学相位、Pancharatnam-Berry (P-B)相位以及混合相位产生光学涡旋的方法。随后,对利用全息与编码超表面产生涡旋及通过多路复用产生多个涡旋等不同方法进行了综述。最后,对基于超表面产生涡旋的一些亟待解决的问题和应用前景作了简单总结与讨论。     

缺陷镜技术直接产生高功率高阶涡旋激光研究（特邀）

涡旋光在光通信、量子纠缠、新的非线性光学效应、微纳机械加工、超分辨成像和光镊等领域具有重要的应用价值。涡旋光应用的前提条件是高质量涡旋光束的产生,将缺陷镜技术和固体激光谐振腔技术结合起来研究,对直接产生高光束质量、高稳定性和大拓扑荷数（高阶）的涡旋激光具有明显的优势。当前,该项技术多是用在简单的两镜线性腔中,且以连续波涡旋激光为主。文中使用紫外皮秒脉冲激光器制备了点缺陷镜,并采用LD端面泵浦Nd:YVO₄晶体作为激光实验平台,构造了V型激光谐振腔,首次实现了复杂谐振腔内直接产生高阶涡旋激光输出。当吸收功率为11.46 W时,获得了最高输出功率为2.69 W的三阶涡旋激光,斜效率达到23.6%;进一步调节谐振腔及点缺陷尺寸,最高获得了13阶涡旋激光输出。该研究表明缺陷镜技术也可以用于复杂结构激光谐振腔,直接产生高阶涡旋激光,从而为其他运行模式（如调Q和锁模）的高阶涡旋激光研究提供了一定的依据。     

集成电光频率梳研究进展（特邀）

光学频率梳是由一系列离散且等间隔分布的频率成分所组成的光谱结构,作为光谱分析的天然刻度尺,其已广泛应用于光谱学、精密测量、光通信、传感等多个领域。光学频率梳根据其产生技术可分为基于锁模激光器的光学频率梳、克尔微腔光学频率梳、电光频率梳。电光频率梳由于其频率间隔可调、梳齿功率较高、可实现微波到光波的转换等优势,得到了充分发展。但传统电光频率梳的产生器件存在体积大、功耗高的缺点,限制了其进一步应用。随着微纳加工技术的不断发展,越来越多的材料应用于片上集成光学器件,包括硅、氮化硅、氮化铝、磷化铟、铌酸锂、砷化铝镓等。集成电光频率梳器件具有体积小、功耗低等优势,是构建光电集成芯片的重要器件。文中旨在对集成电光频率梳的研究现状进行综述,首先介绍光学频率梳的类型,并详细论述电光频率梳的产生机制;其次介绍产生集成电光频率梳的材料平台、相应的光梳性能指标及其应用;最后基于目前集成电光频率梳领域存在的问题,对未来的研究趋势做出展望。     

极低时间抖动的飞秒激光技术（特邀）

飞秒激光器的时间抖动（或定时抖动）是指其输出脉冲的时域位置相对于理想周期信号的短期随机偏差。在毫秒量级的时间尺度上,飞秒激光器的脉冲序列具有严格的一致性,其定时抖动甚至低至阿秒量级。飞秒激光器的这种独特性质及其支持的前沿应用构成了“阿秒时间精度的超快光子学”这一全新的超快研究分支。文中回顾了近年来飞秒激光器定时抖动研究进展、高时间分辨率的定时抖动测量技术、以及不同类型的飞秒激光源能够达到的最低抖动水平。最后介绍了低抖动飞秒激光器在大科学装置同步、高速模数转换、绝对测距、相干脉冲合成等领域的应用。     

激光光谱合成技术研究进展与展望（特邀）

光谱合成技术利用色散元件或双色元件,使多路不同波长的激光在近场和远场同时实现空间重叠,合成至单一孔径输出的激光,是实现高功率、高光束质量激光输出的技术途径之一,受到了研究者的极大关注。特别在近十年来,随着光栅等合成元件性能的不断改善,高功率高光束质量的光谱合成激光输出在工业、国防等领域发挥了重要作用,有着广泛的应用前景。文中对半导体激光器和光纤激光器两种典型激光工作介质进行归类,梳理并回顾了光谱合成技术的发展历程,综述了当前高功率光谱合成技术的主流方案与国内外研究现状。此外,结合笔者所在课题组在光谱合成方面的研究工作,展示了光谱合成技术近年的发展态势,并展望了光谱合成技术的未来发展方向。