基于光线光学的强激光非线性效应仿真与分析

非线性效应会影响强激光系统的性能,为了改善强激光系统的光束质量,基于光线光学提出了强激光非线性效应仿真与分析研究。利用光线光学透镜的相位传递函数,得到透镜的总厚度,根据光线光学透镜的结构参数,构建了光线光学透镜的传递函数模型,基于极化强度与光电场的关系,计算出光传输介质的总折射率,在线性折射率远大于非线性折射率的情况下,计算出强激光非线性折射率,结合强激光非线性效应响应函数,仿真分析了强激光的非线性效应。仿真结果表明,当光束功率密度为2.5*10⁸ W/cm²和0.75*10¹⁰ W/cm²时,强激光的非线性效应都比较弱,从而改善了光束的质量。     

高斯光束通过非线性梯度折射率透镜的传输特性

基于无像差自聚焦理论,使用ABCD定律导出了高斯光束在非线性梯度折射率介质中的解析传输公式。采用矩阵光学方法研究了高斯光束通过非线性梯度折射率透镜的传输特性。结果表明,介质的非线性性和非均匀性、激光功率及入射光束参数影响其传输特性。     

轴棱锥透镜系统产生局域空心光束的几何光学解释

利用几何光学的光线追迹法形象地描述了轴棱锥透镜系统产生局域空心光束过程.分析了局域空心光束传输过程中的光强分布;同时利用光线追迹法分析了透镜焦距对局域空心光束尺寸大小的影响.结果表明,局域空心光束的尺寸随着透镜焦距的增大而增大.实验中利用轴棱锥透镜系统产生局域空心光束,并对不同位置的光斑进行了拍摄,分析了局域空心光束的演变过程及其横向光强分布.实验与理论模拟的结果相吻合.因而容易选择不同尺寸的局域空心光束对不同微粒进行囚禁.     

激光二极管的自聚焦透镜耦合理论与设计

分析了自聚焦透镜对激光二极管(LD)远离透镜主轴的大发散角光束的耦合公式,利用光线追迹法得到了用自聚焦透镜耦合时自聚焦透镜各个参数对耦合结果的影响,从而得到了获得较小聚焦光斑时的自聚焦透镜的最佳参数及在测量面上的相对输出光强分布。为利用自聚焦透镜耦合大发散角的激光二极管光束提供了参考依据。     

非线性外自聚焦透镜的几何光学特征

利用高斯光束在非线性介质中传布的稳态自聚焦理论以及高斯光束在线性介质中传布的ABCD 定律,计算了非线性外自聚焦透镜的焦距和束腰宽度。给出了焦距与束腰宽度同入射激光功率的依赖关系。对于研究非线性外自聚焦透镜的几何光学特征以及非线性光学器件的设计提供了更为普适的理论依据。     

大功率光纤耦合模块光学系统北大核心

基于单管半导体激光器光束传输特性,用光线追迹法对光纤耦合光路进行仿真分析,结果表明在激光器与光纤间放置圆柱透镜的间接耦合方法具有成本低廉、准直光束质量好等特性。根据光束传输几何关系,优化得到了准直距离L与圆柱透镜半径r比值为0.5时,准直效果最好,准直后发散角为2.45°。用光学仿真软件设计耦合光路,并对耦合光路进行光线追迹,结合产品的可靠性问题,最终得到优化的柱透镜直径为60μm。进行耦合实验,测量准直后发散角和采用水冷散热的耦合系统的耦合效率,准直后发散角约为2.55°,耦合效率最高为89.50%。耦合实验结果与仿真结果接近,满足了光纤激光器泵浦源的使用要求。     

高斯光束整形非球面透镜的粒子群优化设计方法

提出了一种设计激光光束整形系统的新方法粒子群优化算法。根据能量守恒定律,推导出光束整形系统中任意光线与入射面和出射面交点坐标之间的变换关系,并把用此变换关系得到的光线与出射面的交点坐标作为目标值。把追迹光线在输出面上的交点坐标与目标值差的绝对值作为光束整形系统的能量分布变换评价函数,把出射光线方向矢量的y分量绝对值作为准直评价函数,并将能量分布变换评价函数与准直评价函数的和作为光束整形变换系统的总评价函数,依此函数作为粒子群算法中的适应度函数,对适应度函数进行极小值操作,便可得到了一个既能把光强高斯分布转换为光强均匀分布,又能近似实现光束重新准直的非球面整形透镜系统。用这种方法设计了一个单非球面凹平透镜,可以把光强高斯分布、光斑半径30 mm的红光激光光束整形为光强均匀分布、光斑半径为36 mm的平顶光束,且准直出射。证明这种设计方法简单有效。     

微柱阵列和两种透镜导管耦合系统的三维光线追迹与设计

微柱阵列和透镜导管组成的耦合系统在激光二极管阵列(LDA)抽运的全固态高能量激光器中起着重要的作用,其光束耦合性能直接影响激光器的最终输出能量和光束质量。为了设计微柱阵列和透镜导管耦合系统的最佳结构参数,需要研究抽运光在耦合系统内部以及在激光晶体端面的分布。利用几何光学理论,对LDA的发射光线经微柱阵列和透镜导管的传输进行三维空间追迹,并计算其能量传输效率和光束整形效果。比较了六面体导管和渐细圆台形导管的耦合性能。仿真分析结果表明,六面体导管需要长度较大,能量传输效率略高,而圆台形导管可以较短,耦合整形后的光斑更接近圆形。     

光阑对激光限幅器限幅效率影响的数值仿真

当激光功率超过自聚焦阈值功率时，激光光束在非线性介质中将发生自聚焦现象，光束的强度分布发生改变，本文基于激光在非线性介质自聚焦现象，设计了强激光功率限制装置，对光阑大小对限幅效应的影响进行了数值仿真研究，结果表明，一般光阑的直委径不能超过入射光束的5倍。     

圆柱透镜对半导体激光光束准直性能的改进

根据光线传输的基本原理，通过计算和推导，用解析式表达并讨论了半导体激光器快轴方向发散光束通过圆柱透镜后的准直特性、光强分布和光能转换效率与圆柱透镜的半径、介质折射率、介质损耗、安装距离等可调参数以及界面反射的关系。说明了安装位置直接影响到准直效果；透镜半径、折射率和介质损耗不仅影响到准直后光斑的大小、光强分布和光能转换效率，而且影响到偏振状态的重新分布，因此，要获得最佳准直效果必须略微离焦安装；还需根据具体使用要求综合考虑各参数对光斑大小、光强分布和光能转换效率的影响，以采用适当的参数，并考虑是否进行增透处理。为正确认识和使用微圆柱透镜改善半导体激光快轴方向光束的发散，提高光束质量提供了理论依据。     

非线性变折射率纤维透镜理论

本文对非线性变折射率纤维透镜进行了分析,利用高斯光束在非线性变折射率纤维中传播的稳态自聚焦理论以及在线性介质中传播的ABCD定律,导出了计算这种透镜的焦距及束腰半径的解析表达式。     

双曲柱面-平面透镜对半导体激光光束的准直性能

根据光线传播的基本原理，位于偏心率恰为相对折射率的双曲折射面外侧焦点上的点光源所发出的发散光，经折射后可成为较为理想的准直光束、因而可以制作用于半导体激光二极管条快轴方向准直的双曲柱面-平面透镜。本文通过计算和推导，用解析式表达并讨论了半导体激光器快轴方向发散光束通过双曲柱面-平面透镜后的半宽度、光强分布和光能转换效率，为正确认识和使用微双曲柱面-平面透镜改善半导体激光快轴方向光束的发散，提高光束质量提供了理论依据。     

非相干LED白光产生无衍射光的光源设计

非相干光源产生无衍射光束的实验中,入射光束的均匀性对产生无衍射光束的质量有很大影响。文中以非相干光源白光LED为例,通过对LED自身发光特性的分析,对光线传播过程进行数学建模,用非成像光学光通量守恒原理,对均匀照明设计方法进行理论推导,得到了一种基于非成像光学产生均匀光束的透镜设计方法。用三维建模软件进行建模并用光学仿真软件进行光线追迹,确定用该方法设计的透镜能满足实验对入射光束均匀度的要求,并初步实验获得较高质量的零阶无衍射Bessel光,验证了该设计方法的合理性。     

样品位置和光腰半径变化对折射型光限幅器性能的影响

本文以衍射理论为基础，通过数值计算，研究了以自聚焦和自散焦为基础的非线性折射型光限幅器的光限幅特性，探讨了样品盒的安装位置和入射光束腰斑半径的变化对折射型光限幅器工作性能的影响。结果表明：折射型光限幅器的光限幅特性曲线随激光输入功率的增加是衰减振荡的。光束聚焦差时，样品盒宜靠近焦面安装；光束聚焦好时，样品盒可稍远离焦面安装。对于自聚焦(自散焦)型非线性光限幅器，当样品盒安装在焦点左面(右边)半个瑞利范围内某位置时，透过率最小，限幅器可获得最佳限幅效果。     

A wide-angle finite element beam propagation method with perfectlymatched layers for nonlinear optical waveguides

A beam propagation method (BPM) based on the finite element method (FEM) is described for the analysis of both transverse electric (TE) and transverse magnetic (TM) waves propagating in nonlinear optical waveguides. A perfectly matched layer is introduced to avoid spurious reflections from computational window edges. For the wide-angle beam propagation analysis, the Pade approximation is introduced to the differential operator along the propagation direction. In order to improve numerical accuracy and efficiency, a finite element mesh and a reference refractive index are adaptively renewed at each propagation step, and to reduce computational effort for the nonlinear optical waveguide analysis, an iterative algorithm is also introduced. Waveguides with nonlinear self-focusing claddings are analyzed to investigate spatial soliton emission phenomena, and it is confirmed that soliton couplers can be easily constructed     

飞秒强激光的拉曼延迟克尔非线性效应研究

飞秒强脉冲激光具有高功率、窄脉宽和宽光谱等特点,其在大气传输过程中涉及很多线性和非线性的物理机制,高阶效应对传输将产生一系列重要的影响.采用数值方法求解包含拉曼延迟响应的非线性传输方程,研究了与拉曼延迟响应时间相当的、具有几十飞秒脉宽的飞秒强激光大气传输中拉曼延迟克尔非线性效应引起的非线性折射率变化、自聚焦和光谱展宽特...