强激光的计算模拟:平顶高斯光束模型

基于广义惠更斯－菲涅耳衍射积分,将平顶高斯光束作为一个整体光束,对其基本性质和变换特性作了统一研究。推导出了平顶高斯光束通过有线性增益（损耗）的近轴ABCD光学系统、无光阑和有光阑ABCD光学系统后解析形式的传输方程。对平顶高斯光束的相似变换以及与超高斯光束的一致性也作了分析。所得结果对强激光的模拟提供了一个有用的计算模型。     

TE矢量高斯光束的二阶矩传输

运用光束传输的非傍轴矢量矩理论,对TE矢量高斯光束的传输进行了研究,给出了束腰、横向发散角和光 束传输因子的积分表达式。基于能流二阶矩定义的横向光束宽度在传输过程中服从简单的双曲线变化规律。数 值计算表明,在高度非傍轴情形下,由于TE偏振导致两个横向存在不同的光束传输特性,且最大的横向发散度超 过了非傍轴标量高斯光束的发散度极限63.43°,接近于90°,这与波动光学理论相符合,其中x方向上的发散度略 比y方向上的大。而对于傍轴情形,在非傍轴标量高斯光束傍轴化条件下,TE矢量高斯光束的传输可简化为横基 模傍轴标量高斯光束,稍有区别的是其光束传输因子始终保持略大于1,且永远不能精确地等于1。     

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,输入平顶场强分布仍呈平顶场强分布结构。     

高功率激光技术中的光束控制和相关问题

对高功率激光进行了研究。以平顶高斯光束为例,推导出了它通过无光阑和有光阑的近轴ABCD光学系统传输的解析表达式。给出了它的特征参数,包括光束传输因子(M2因子)、陡峭度(K参数)和桶中功率(PIB)并作了物理分析。最后,指出高功率激光光束控制应使光束在靶面上的功率/能量集中度、时间和空间波形、瞄准稳定性以及时间持续性等指标满足应用要求。     

强非局域介质中的厄米-椭圆高斯空间光孤子

研究了傍轴厄米-椭圆高斯光束在强非局域非线性介质中的传输特性.依据强非局域介质响应函数特征宽度远大于光束束宽,对非局域非线性薛定谔方程进行了近似简化,得到了介质响应函数为椭圆对称情形下的强非局域模型.在此基础上利用分离变量法得到了厄米-椭圆高斯空间光孤子解析解及其形成的条件.进一步研究发现,随着厄米-椭圆高斯空间光孤子阶数的增大,光束束宽增大,介质的非局域程度相对减弱;要获得高阶椭圆高斯空间光孤子,必须提高非局域介质的非局域程度.最低阶的厄米-椭圆高斯空间光孤子就是椭圆高斯空间光孤子.     

Time-domain ABCD matrix formalism for laser mode-locking andoptical pulse transmission

ABCD matrix formalism in the time domain has been newly developed on the basis of laser beam and resonator analyses which were developed under a Gaussian paraxial approximation. We derive matrix elements for amplitude and frequency modulations, group velocity dispersion, optical bandpass filter dispersion, and lumped self-phase modulation under a parabolic approximation. Applications to AM, FM, and stretched-pulse laser mode-locking are described by using these time-domain matrices. An application to pulse transmission in a dispersion-allocated system is also described     

空心高斯光束通过光阑透镜系统的传输特性

为了研究空心光束通过硬边光阑透镜傍轴ABCD光学系统后的传输特性,利用柯林斯衍射积分公式,推导出了空心高斯光束通过受圆孔硬边光阑限制的傍轴ABCD光学系统的传输公式,所得公式可用来描述空心高斯光束通过任意傍轴ABCD光学系统的传输.研究了光阑、透镜以及光阑透镜系统对空心高斯光束传输特性的影响,并用数值例做了详细说明.结果表明,光阑和透镜均会使光束的光场分布向源平面前移,光阑会破坏空心高斯光束的空心性,而单纯的透镜只改变光场分布,不会破坏光束的空心性.这一结果对于空心光束的产生和应用有理论指导意义.     

强非局域介质中高斯光束参量演化规律的分析

光束存非局域非线性介质中传输时遵循非局域非线性薛定谔方程（NNLSE）。对应用变分法得到的傍轴高斯光束存强非局域非线性介质中的束宽演化方程进行了简化，消除了由于强非局域非线性介质响应函数作泰勒级数展开产生的势函数假根的影响；求出了傍轴高斯光束各参量的演化表达式。结果表明，傍轴高斯光求存强非局域非线性介质中传输时束宽的近似演化规律为正弦函数和余弦函数，并存在一个临界功率。当初始功率等于临界功率时，可以得到空间光孤子。对于一般情形，束宽作周期性压缩或展宽变化。当束宽比α≤0．3时，所得结果与非局域非线性薛定谔方程的数值解基本一致。     

高阶贝塞尔-高斯光束通过圆孔硬边光阑的传输特性

文章通过把圆孔光阑函数展开为有限复高斯函数和的方法,用惠更斯-菲涅尔衍射积分,推导出了高阶贝塞尔高斯光束通过具有圆孔光阑的近轴ABCD光学系统的传输近似解析公式,并对高阶贝塞尔-高斯光束通过圆孔硬边光阑的传输特性进行了研究.分析结果表明,衍射特性与截断参数、贝塞尔函数的阶数以及光束的菲涅尔数等因素有关.     

受光阑限制离轴高斯光束的解析传输

激光束的传输特性在激光技术应用中有着重要的意义。光束的解析传输问题是激光光学中的难点之一。从Collins公式出发，详细研究了离轴高斯光束(OAGB)通过有光阑近轴ABCD光学系统的传输特性，推导出了受硬边光阑、高斯光阑或余弦光阑限制的离轴高斯光束通过近轴ABCD光学系统的解析传输公式，并讨论了硬边光阑、高斯光阑或余弦光阑之间的关系。数值计算证明了所得公式的正确性和优点。分析了求解受多光阑限制的激光束通过近轴ABCD光学系统的解析传输公式的困难性，结果表明，其困难性在于受单光阑限制激光束的解析传输公式中含有误差函数。     

ABCD matrices for dispersive pulse propagation

The use of the ABCD matrices for the calculation of pulse propagation in second-order dispersive media is developed rigorously. Their usefulness is demonstrated by obtaining the results for the propagation of a Gaussian pulse with an arbitrary linear chirp. By analogy with ray optics, the concept of a time ray is introduced to give further insight. The analogy with paraxial optics is carried further by extending the matrix method to a complete Hermite-Gaussian basis and thus to arbitrarily shaped and nonlinearly chirped pulses. Some practical applications of the matrix method are discussed     

Matrix formalism for dispersive laser cavities

A matrix formalism for dispersive optical elements is applied to the study of laser cavities with dispersive elements such as gratings or prisms. The formalism consists of 3×3 matrices describing each element with complex coefficients to account for loss or gain. It is shown how to determine the frequency dependence of the beam center, propagation angle, gain, and transit time delay. In this manner, the linewidth selectivity, cavity group velocity dispersion, output spectral angular dispersion, and transverse walkoff of any arbitrary design can be determined     

傍轴光束传输的统计行为

对一个任意的傍轴光束，只要给定了任一起始截面上的光场分布情况，则其在自由空间中传输的统计行为就可完全确定了，而且可用“等效高斯光束”来进行描述。给出了相应的传输参数，它们完全确定于起始截面的光场分布情况。利用“嵌入高斯光束”的概念将文献［５］中的结果推广到更为普遍的情形。     

离轴高阶椭圆高斯光束

采用张量方法定义了离轴高阶椭圆高斯光束(DHEGB),通过矢量积分导出了DHEGB经过非轴对称光学系统的传输公式,其在零阶情况下可退化为离轴椭圆高斯光束的传输形式。数值计算和分析了DHEGB在自由空间中的传输特性,进一步研究了以离轴高阶椭圆高斯光束为基模构成的一般激光光束列阵的特性。研究结果表明,DHEGB光斑随着传输距离发生了旋转,传输特性与离轴参数有密切关系。     

透射圆波片后基模高斯光束的传播特性

推导出基模高斯光束经圆波片后的近轴光场分布的一般解析表达式 ,讨论该衍射场在不同情况下的传播特性 ,并对衍射场分布的近轴解析解给出相应的物理解释。     

光阑约束超几何激光束的传输特性

基于广义惠更斯-菲涅耳衍射积分和圆孔光阑函数展开为有限复高斯函数之和的方法,导出了超几何激光束通过有圆孔光阑约束的近轴ABCD光学系统传输的近似解析表达式,并对其传输特征进行了数值计算和分析。研究结果表明,超几何激光束光强的分布及其衍射效应与光阑的孔径大小、传输的距离以及光束参数等因素密切相关。此外,文中采用的近似解析方法与直接利用衍射积分计算相比,具有更高的计算效率,可以大大节省计算机时。     

Nonparaxial eigenmodes of stable resonators

A method to determine the nonparaxial eigenmodes of stable resonators is presented. The method is based on the perturbation theory of Lax et al. For calculating nonparaxial components of the electric field. A matrix formalism which uses a mode expansion into paraxial Hermite-Gaussian modes is applied to describe the nonparaxial propagation and the phase shift at a parabolic and a spherical mirror. Expressions for these matrices are derived analytically. Multiplying all matrices corresponding to a round trip, a matrix for the resonator is obtained. Eigenmodes of the resonator are numerically found by solving the eigenvalue problem. In the special case of paraxial propagation and parabolic mirror profiles, the standard Hermite-Gaussian modes result analytically. Nonparaxial modes of a given resonator are compared for different mirror profiles. It is found that, in the nonparaxial domain, spherical mirrors do not change the mode profile and the frequencies of the transverse modes, in contrast to parabolic mirrors which aberrate the beam profile and cause frequency shifts     

高阶双曲余弦高斯光束的传输性质

引入了高阶双曲余弦高斯光束,结果表明这类光束在一定参数条件下呈现平顶光束特征。这类光束可用偏心高斯光束或双曲余弦高斯光束的相干叠加而得到,因而也是傍轴波动方程的解,并讨论了它们在一阶光学系统中的传播性质。     

椭圆对称奇异空心光束通过硬边光阑的传输特性

通过将圆孔光阑函数展开为有限复高斯函数和的方法,利用惠更斯-菲涅耳衍射积分推导出了椭圆对称奇异空心光束通过具有圆孔光阑的近轴ABCD光学系统的传输近似解析公式,并对椭圆对称奇异空心光束在自由空间中通过不同孔径下的硬边光阑的传输特性进行了数值模拟研究。结果表明:自由空间中的近轴光学系统无论在近场还是远场,椭圆对称奇异空心光束的衍射光强分布都与光阑大小有很大的关系。该研究方法对椭圆对称奇异空心光束通过具有圆孔光阑的传输和变换的研究非常有益。     

余弦高斯光束通过硬边光阑的解析传输公式

从Collins公式出发,对余弦高斯光束通过有光阑限制的一阶ABCD光学系统的传输进行了研究,采用将矩形域函数表示为复高斯光束迭加的技巧,推导出了普适的场分布的解析公式。作为应用例,对余弦高斯光束通过有硬边光阑的薄透镜聚焦系统进行了数值计算,计算结果表明,作者的结果与直接由Collins公式衍射积分所得结果一致。数值计算证明,用该方法能节约大量机时,并可推广到其它光束通过硬边光阑光学系统的传输研究。