二维艾里光束飞秒成丝特性研究

艾里光束因具有无衍射、自愈和、横向自加速等奇异特性,自被发现以来便成为一个研究热点。对艾里光束的基本理论进行了简单的介绍。利用常用的分步傅里叶数值法对二维艾里光束在空气中的飞秒成丝特性进行了研究。重点计算了二维艾里光束在一定条件下初始光场随传播距离的演化过程。仿真结果表明:当入射的飞秒激光能量足够大时,二维艾里光束在传播很短的距离后便表现出强烈的成丝特性。光丝能量在一定传播距离内会维持较高水平,之后急剧衰减直至光丝消失。所做工作对后续开展相关实验研究具有一定指导意义。     

艾里-高斯光束在光折变介质中的孤子脱落

以非线性薛定谔方程为理论模型,采用分步傅里叶方法研究了光折变介质中艾里-高斯光束的传输特性。结果表明:满足一定条件时,光折变介质中会形成周期振荡的空间孤子;介质的非线性系数越大,形成空间孤子所需的传输距离越短,孤子的振荡周期越小;当艾里-高斯光束的初始入射功率在一定范围内时,光折变介质中才会形成稳定的空间孤子;在空间孤子形成时,由于局部能量竞争,会出现光束分裂成丝现象。此外,还研究了微噪声扰动对艾里-高斯光束在光折变介质中传输稳定性的影响。     

强飞秒激光大气传输成丝特性研究

基于对强飞秒激光大气传输的非线性薛定谔方程的变分法,模拟研究飞秒激光大气传输成丝特性.研究了在是否考虑多光子吸收损耗的情况下,激光成丝状态的演化。研究表明：多光子吸收损耗会破坏自聚焦与等离子体散焦之间的动态平衡,进而引起成丝的不稳定性;在不同的入射功率下,成丝的起点位置会发生移动;在实验室条件下,Pin大于等于3Pcr 时才可能形成多次聚焦成丝传输。在继续增加激光入射功率时,光束因强烈聚焦发生崩塌而成多丝结构。     

自弯曲艾里光束阵列产生的可调局域空心光束（英文）

利用艾里光束自弯曲特性,提出一种新的艾里光阵列产生的局域空心光束。这些艾里光束阵列以环形排列,当它们向前传播的同时又以向内的方向加速传播,从而形成环形局域空心光束。通过调节在初始输入平面上环形艾里光束阵列之间的间隔距离,可以很灵活实现调控局域空心光束大小。与传统的高斯激光叠加相比,多艾里光束的无衍射特性及相干叠加使得输出能量大大提高。数值模拟结果表明通过环形艾里光束的自加速特性可以形成局域空心光束。该灵活可控的局域光束可以为原子捕获与生命细胞操控提供更好的灵活性。     

基于飞秒激光成丝的超连续光谱产生与调控研究进展

超快激光在透明介质传输中会导致长程无衍射传输的成丝现象。伴随着丰富的非线性光学效应,激光脉冲光谱会被极大展宽,覆盖从微波到紫外的超宽范围,被称为超连续谱。飞秒光丝辐射超连续谱具有宽光谱、高方向性和可调谐等优势,在吸收光谱检测、远程气体检测、脉冲压缩和少周期脉冲形成等领域中具有重要应用,近年来被广泛关注,并取得一系列研究成果。基于此,围绕飞秒光丝辐射超连续光谱,从物理机制到调控方法,系统梳理了该领域的研究历程及最新进展。     

高斯光束和超高斯光束在空气介质中的成丝特性研究

研究了入射激光光束空间形态对飞秒激光光丝的影响。系统地比较了高斯光束和超高斯光束在空气介质中形成的光丝的特性。理论研究结果表明,在相同的条件下,相比于标准高斯光束,超高斯光束在轴上位置处更有利于获得高的钳制光强以及等离子密度。该研究结果表明,通过改变入射光束空间形态可以实现对光丝特性的调控。在实验上,该方法可以简单地通过在光路中插入圆形光阑,或者利用空间光调制器将传统的高斯光束转变为超高斯光束。     

圆艾里高斯涡旋光在各向异性非Kolmogorov湍流大气中的传输

采用非均匀采样与功率谱反演法产生与湍流尺度相关的各向异性非Kolmogorov湍流随机相位屏,进而利用空间光调制器模拟研究圆艾里高斯涡旋光束在大气湍流中的漂移特性和轨道角动量态变化。数值模拟和光学实验结果均表明,圆艾里高斯涡旋光束的漂移值随光束衰减系数、光束主半径、大气湍流外尺度和传输距离的增大而增大,随湍流各向异性系数和光束拓扑荷值的增大而减小,并且在湍流幂律值为3.3附近有极大值。此外,通过对比圆艾里高斯涡旋光束经过大气湍流前后的干涉条纹图样,发现整数阶时拓扑荷值越小,光束经过湍流之后拓扑荷值稳定性就越好。     

专题前言

<正>以差分吸收激光雷达、拉曼激光雷达等为代表的大气污染光学探测技术虽然具有实时、远程的优势，但在多组分监测，特别是在测量气溶胶、金属等大气污染物化学成分和浓度等方面具有局限性。而飞秒光丝激光雷达是一种可远程、快速探测多组分大气污染物的技术。当高功率飞秒激光在大气中传输时，能量不会发散，而是形成一个高光强激光通道，这个通道被称为“光丝”，这一过程则被称为“成丝现象”。光丝内的激光强度足以诱导电离、多光子荧光、受激拉曼散射、四波混频等各种非线性光学效应，激发出具有物质特征的光谱信号，从而为多组分大气污染物监测提供数据。     

实验模拟环形艾里光束在大气扰动中的光束漂移

采用多层相位屏法和分步傅里叶算法相结合的方式来模拟环形艾里光束在湍流大气中传输时光斑质心漂移。通过理论和实验仿真了环形艾里光束在湍流中的传输。通过比较,证实了环形艾里光束在湍流中传输时扰动漂移量小于艾里光束和高斯光束。因此,利用环形艾里光束作为信息载体在远距离传输时具有很大的应用潜力。     

白光激光雷达的发展与应用

飞秒激光脉冲在空气中传输时产生独特的成丝现象,伴随着波长从紫外到中红外的超连续光谱辐射。高强度的光丝能继续与物质发生强烈的非线性相互作用,诱导多光子荧光和等离子体光谱等非线性光谱辐射。白光激光雷达以飞秒激光脉冲大气传输特性为基础,能提供多种遥感探测方法。文章阐述了飞秒激光脉冲成丝机理与白光激光雷达系统结构特点,介绍了国内外主要白光激光雷达的性能特点、白光激光雷达的主要探测方法与应用情况,最后分析了白光激光雷达的发展趋势。     

准直脉冲激光大气传输热晕数值分析

大气通道上介质对激光部分能量的吸收,导致大气折射率的改变,形成自散焦负透镜,产生热晕．使激光发生畸变,限制了激光能量在大气中的有效传输．以准直脉冲高斯激光束大气传输为例,数值分析了热晕对由光束的声传递时间（即流体动力学时间）定义的两种脉冲长、短脉冲大气传输的影响：长脉冲受到非线性热晕效应影响很大,光束截面上光强发生了重新分布,轴上光强凹陷,峰值光强向周围扩展;短脉冲主要受到线性吸收的作用,受到的非线性热晕效应影响很小．提出了采用脉冲间隔适当的序列短脉冲传输来提高激光传输能量的方法．     

100MW级高峰值功率高光束质量Nd:YAG激光器

报道了一台高峰值功率、高光束质量、高稳定性的100 MW级脉冲灯泵浦Nd:YAG激光器。激光器整机采用种子注入功率放大方式,由激光脉冲放大理论出发,理论分析了影响放大级输出能量密度的因素,结合腔型结构优化设计,合理地选取了实验器件参数。实验中,本振级采用基模动态稳定腔结合电光调Q方式,实现了42mJ基模脉冲激光稳定输出,发散角为0.9mrad。当重复频率为10Hz时,经过腔外两级放大,激光器最终获得了1.146 J的1 064 nm动态激光,脉宽为9.2 ns;输出光束为平顶高斯型分布,发散角为0.3 mrad,1 h内的能量不稳定度RMS≤2.88%。     

Nd3+掺杂浓度对无水冷Nd:YAG激光器输出特性的影响

无水冷Nd:YAG激光器采用一种双拱形激光二极管阵列对双棒串接的Nd:YAG进行同心泵浦,将双拱形激光二极管面阵发出的光作高斯光束处理,利用高斯光束通过光学系统的变换规律,借助计算机模拟,研究了钕离子掺杂浓度对LD泵浦的无水冷Nd:YAG激光器的荧光分布、激光建立时间、输出能量及脉宽等输出特性的影响.搭建双半环形LDA侧面泵浦的低频无水冷电光调O Nd:YAG激光器的实验平台,对Nd3+掺杂浓度分别为1%、0.8%、0.6%的激光晶体进行实验测试,给出了LD泵浦的无水冷Nd:YAG激光器的Nd3+掺杂浓度与激光建立时间、输出能量、脉宽等参量的定量关系曲线,实验结果与理论分析结果基本相符.     

纳秒脉冲控制精度对多光束组束的影响

在多束脉冲激光叠加过程中,脉冲的同步延时控制精度和脉宽控制精度对叠加光束能量分布具有重要影响。基于光束叠加理论,建立了四束脉冲激光能量叠加模型,以四束整形脉冲为入射光源,分别针对同步延时控制精度和脉宽控制精度变化情况下叠加脉冲能量分布进行了定量计算。结果表明,随着同步延时控制精度和脉宽控制精度的降低,叠加脉冲的脉宽增加,峰值降低。多束脉冲的同步延时控制精度和脉宽控制精度的变化对激光组束的影响比单束脉冲的影响更大。四束激光合成系统中,在其他参数不变的情况下,叠加光束激光脉冲峰值光强变化率小于5%时,单束激光脉冲延时变化率和脉宽变化率保持在3.2%和10.9%以内。因此,脉冲延时对叠加光强影响更大。     

线性势作用下艾里-高斯光束的周期演化

以分数薛定谔方程为理论模型,采用分步傅里叶法进行数值模拟,研究了线性势作用对艾里-高斯光束的传输特性和两光束相互作用的影响。结果表明,艾里-高斯光束在无线性势作用时会分裂成两束,有线性势作用时分裂现象逐渐消失,光束传输呈现周期演化,且主瓣能量和旁瓣能量几乎不随传输距离的增加而改变。该周期演化在参数改变时会有不同的表现,据此可调节光束的周期演化过程。线性系数主要影响演化周期,而且它的符号可以控制光束的偏转方向和分布空间;莱维系数则会改变光束的横向振荡幅度,同时光束偏转角度会发生变化,光束的演化路径由近似折线变为曲线。在满足一定的相位条件下,相互作用的两光束的能量会发生周期性互换,随着莱维系数的增大,这种周期性互换现象会消失。这些结果为光束在光开关和光学逻辑器件中的应用以及光束的调节提供了理论参考。     

脉冲激光大气传输热晕数值分析

由于大气通道上介质对激光能量的吸收,改变了大气折射率,形成自散焦负透镜,从而产生热晕。热晕使激光发生畸变,限制了激光能量在大气中的有效传输。以准直高斯光束为例,模拟单脉冲和序列脉冲激光大气传输,对均匀风场和无风两种情况下激光在不同靶程光束截面的光强分布进行了数值分析。结果表明：长脉冲比短脉冲受到非线性热晕效应影响大;序列脉冲存在一个最优化脉冲间隔,使上靶光强存在20%~30%的涨幅。最后,在没有采用自适应光学系统对畸变进行补偿的情况下,提出了采用脉冲间隔适当的序列短脉冲传输来提高激光传输能量的方法。     

高斯镜参数对LD泵浦Nd:YAG激光器的影响

实验研究了输出镜为不同参数高斯镜时,偏心对LD泵浦Nd:YAG激光器的影响及激光器的输出特性。仅当光轴与激光晶体中心轴、Q开关中心轴一致,且经过高斯镜反射率中心时,可同时实现最大能量、最窄脉冲宽度和最小发散角输出。存在偏心时,高斯镜反射率半径越小或中心反射率越大,则能量下降越多,脉冲宽度和发散角增大越大。对于反射率半径为2.5 mm和中心反射率为30%的高斯输出镜,偏心0.5 mm时,能量降低7%,脉冲宽度增宽33%,发散角增大20%。激光性能方面,高斯镜反射率半径越小或中心反射率越小,光束质量越好,但效率低。综合考虑偏心影响和激光性能,反射率半径为2.75 mm和中心反射率为20%的高斯镜作为输出镜最佳。泵浦能量为984 mJ时,获得了能量128 mJ,脉冲宽度7.3 ns,光束质量M2因子约4.6的1064 nm激光输出,对应光光转换效率为13%。实验结果为激光器设计和装调提供了参考。     

激光导引头四象限探测器测角精度的建模研究

四象限探测器对目标的测角精度直接影响激光制导武器的制导精度,因此研究四象限探测器测角精度十分重要。采用计算和仿真分析的方法,基于导引头入瞳处脉冲峰值功率密度服从均匀分布,噪声干扰电流服从高斯分布,建立了激光导引头光束偏转角误差模型;但由于噪声干扰使光束偏转角误差具有随机概率性,所以将光束偏转角误差的均值和标准差作为四象限探测器测角精度的衡量标准,分别建立了光束偏转角误差的均值和标准差与导引头光学系统参数、光斑半径、漫反射激光入射角、噪声干扰电流以及导引头入瞳处脉冲峰值功率密度之间的关系,并以导引头光束偏转角误差标准差为例,结合应用背景进行了仿真分析。     

内腔倍频被动调Q Nd:YVO4/KTP绿光的脉宽控制

分别改变饱和吸收体在激光腔内的位置及抽运光的束腰在激光晶体中的位置，实现了对激光二极管（LD）抽运Nd：Nd：YVO4／KTP腔内倍频Cr^4＋：YAG被动调Q绿光的脉宽控制。在抽运功率1．52w的条件下，脉冲宽度可以控制在388～616ns之间，同时获得了激光脉冲的重复频率、单脉冲能量及峰值功率的变化范围分别为4．4～26．3kHz，0．52～4．19μJ和1．0～7．2w。考虑腔内光子数密度的高斯空间分布以及抽运光的空间分布，给出了描述调Q激光器工作原理的耦合速率方程组，其数值解与实验结果相符。     

艾里高斯涡旋光束正负交变介质中的光波演变

利用光学传输矩阵,结合广义惠更斯-菲涅耳光学衍射公式,研究了艾里高斯涡旋光束在正负折射率交替变化周期平板介质中传输时,其输出横截面光强分布规律和侧面传输光强的演变图景。结论显示:当右手材料折射率nr和双负材料折射率nl绝对值正好相等,并且右手单元长度R:双负单元长度L=1:1时,可以实现输出面光强的完美还原;当双负材料折射率绝对值abs（nl）nr,但R=L时,两类周期介质输出表面的光束质量都很差,此时,若要实现输出光强的完美还原,较大的abs（nl）需要较长的双负单元长度L来进行补偿,反之则反;进一步探究了准周期平板介质中双负材料单元长度和负折射率的定量关系。期望相关结论可以对含特异材质周期和准周期结构中艾里高斯涡旋光束的调控和通信传输提供重要的参考价值。