一维激光阵列相干合束远场特性的研究

利用傅里叶光学方法,获得了相干合束远场光强的解析表达式,数值模拟和实验研究了一维锁相二极管激光阵列的相干合束远场特性。研究表明:随着参与合束的发光单元数目的增加,尖峰变锐;同相模的光能集中在更小的立体角内,使得相干合束的亮度增加;异相模的光束能量较为分散,其峰值光强有所降低。系统抖动引起远场峰值光强的降低,破坏了远场的对称性和光束质量。相干合束发光单元数目越多,系统抖动对远场的影响便可以忽略。     

激光相干合成中单元的相位和振幅波动对合成光束远场分布的影响

运用傅里叶光学分析法推导出系统抖动造成单个光源的相位和振幅发生波动时的远场光强表达式,以1维阵列为例分析了系统抖动对远场的影响。研究表明:随着参与合束的发光单元数目的增加,尖峰变锐,能量更集中;系统抖动引起了远场峰值光强的减少,出现了本底现象,破坏了远场的对称性和光束质量;激光阵列单个光源的相位随机抖动应该控制在3/8范围内;相干合束发光单元数目越多,系统抖动对远场的影响越小。     

激光相干合成中单元的相位和振幅波动对合成光束远场分布的影响

运用傅里叶光学分析法推导出系统抖动造成单个光源的相位和振幅发生波动时的远场光强表达式,以1维阵列为例分析了系统抖动对远场的影响.研究表明:随着参与合束的发光单元数目的增加,尖峰变锐,能量更集中;系统抖动引起了远场峰值光强的减少.出现了本底现象,破坏了远场的对称性和光束质量;激光阵列单个光源的相位随机抖动应该控制在3 π/8范围内;相干合束发光单元数目越多,系统抖动对远场的影响越小.     

光纤激光相干阵列远场光强分布的影响分析

在光纤激光相干组束中,受到各种因素的影响,各个单元激光器出射激光的相位、振幅和偏振态不能保持一致,并随着时间而变化,均会降低相干组束后的光束质量、减弱光束中心的峰值光强和中心区域内的功率.针对光纤激光相干组束中每个单元光束的出射时的相位、振幅和偏振方向扰动对相干组束远场光强分布的影响进行了理论分析,并给出数值计算结果.结果表明远场光强分布的图形、峰值光强度和中心区域内的功率,受到各因素的影响,都会不同程度的变差或减弱.     

偏振方向对阵列光束远场能量分布的影响

为了研究相干合成系统发光单元的偏振方向对相干合成远场光强分布的影响,以1维线性分布的阵列为例,利用傅里叶方法分析得到了单个发光单元的偏振方向偏离时相干合成的远场光强的解析表达式。数值计算结果表明:光源偏振方向的偏离使得远场中心光斑的峰值光强减小,光强的最小值不再为零,次瓣所包含的能量增大,但图样仍成对称性分布。对于5个单元合成系统,当单个发光单元偏振方向偏离π/2时,峰值光强减小到原来的68%左右。     

多束超高斯激光相干合成的数值模拟

 建立了超高斯光束的相干叠加的数学模型，对比了光束间距为1 cm、超高斯阶数为12条件下25束高斯光束相干叠加与非相干叠加时的光强分布，发现相干合成的峰值光强为非相干叠加的峰值光强的近10倍，且光束质量也得到大大提高，有利于提高能量的利用率。分析了多种条件下相干合成的光强分布特性，结果表明：随机相位差小于十分之一波长时,相位差的变化对相干合成效果影响不大；当超高斯阶数大于10时对相干合成的峰值光强影响较小；随着相干发射阵列光束间距的增大，相干合成光强迅速减小，光束质量变差。得到了传输距离分别为10 m，100 m，1 km和5 km下的光强分布，表明合成的峰值光强随着传输距离的增加而由小变大，最后随着传输距离的进一步增大而衰减。最后得到了不同传输距离处的环围功率比。     

偏振态对激光相干合成的影响

为了研究光束相干合成中偏振态的特性,取理想矩形光束进行模拟分析。通过改变偏振态的退偏率、偏振态夹角、参与合成的子束数目等,观察光场在远场叠加的合成效果。讨论了这些因素对远场合成效果的光强分布、峰值功率密度、光束质量因子等的影响。模拟结果显示:当退偏率小于10%、偏振态夹角小于18时,合成后光束质量因子小于1.1。     

空间关联结构调控非傍轴部分相干光束的远场传输特性

基于部分相干光束的角谱表述和稳相法,研究了非传统空间关联结构对非傍轴部分相干光束的远场光强和发散角特性的影响,推导了非傍轴贝塞尔-高斯谢尔模(BGSM)光束经圆形光阑衍射后在远场的光强和发散角的解析表达式,利用该表达式数值计算了非傍轴BGSM光束的远场光强和发散角特性。结果表明,非傍轴BGSM光束与非傍轴高斯-谢尔模光束的远场光强及发散角特性不同,并且与光束在光源平面的空间关联结构、束腰半径、相干长度以及光阑半径密切相关。因此,调控光束的空间关联结构可以调控非傍轴部分相干光束的远场传输特性。     

部分相干余弦高斯光束在左手材料中的光强分布

基于积分衍射理论和相干偏振理论,研究了部分相干余弦高斯光束在左手材料中的光强的分布。研究结果表明:中心光强随工作频率增大,先增大后逐渐趋于稳定,但是随相干参量增大而减小;横向光强随相干参量增大而减小,随偏心参量增大光强的最大峰值不变,但是光强的峰值数目在不断增加。     

相干激光阵列的逆达曼光栅合束孔径装填实验研究

提出一种相干激光阵列合束孔径装填的新方法,采用逆达曼光栅及相位补偿原理将多束锁相相干的阵列激光合束装填为远场单一主瓣的光束,给出了相应设计方案,并进行了模拟相干激光阵列合束孔径装填的原理性演示实验。实验结果表明,这是一种实现高功率和高亮度激光的有效技术方案。逆达曼光栅用于相干阵列激光合束是基于远场衍射原理,阵列面和光栅面为严格的傅里叶变换关系,具有原理简单、性能稳定可靠的特点,能够控制输出光束尺寸及其远场光束宽度,对于发展紧凑型、轻量化和高光束质量的高功率激光器系统具有重要意义。     

固体激光器光束合成特性分析

光束合成是研制高功率、高光束质量固体激光器的必由途径.建立板条介质固体激光器阵列光束合成的理论模型,从子束间距、整体相位差、偏振态、随机像差等方面,分析了合成光束的远场特性.通过数值模拟可以看到,子束间距决定了合成光束远场光斑的衍射旁瓣的大小和多少;子束间整体相位差决定着合成光束远场中心光斑是否分离,并影响着峰值光强和...     

平顶高斯超短脉冲激光的时间部分相干性对相干合成的影响

 利用准单色光干涉理论,计算了2×2平顶高斯超短脉冲激光在远场的干涉图样,分析了激光的时间部分相干性及其存在束间相位差时对相干合成的影响。计算结果表明,当单路激光输出光束线宽小于100 nm时,理想波前的远场光斑图样和峰值光强基本保持不变,当光束线宽大于100 nm时,干涉减弱衍射效应逐渐增强;光束间存在相位差时,时间部分相干性将破坏远场图样随束间相位差的周期性变化,相位差越大干涉越弱;当超过相干长度时,则为非相干合成,但1/6倍相干长度范围内,仍可视为较理想的相干合成,此时焦斑的斯特列尔比大于0.9,对超短脉冲的相干合成影响可忽略。     

大气湍流对径向分布高斯列阵光束扩展和方向性的影响

采用积分变换的技巧,推导出了径向分布高斯列阵光束通过湍流大气传输的二阶矩束宽和远场发散角的解析公式,并详细研究了大气湍流对光束扩展和方向性的影响.研究表明,相干合成情况下,子光束数N越小、径向分布半径r₀越大,列阵光束扩展受湍流影响越小.相干较非相干合成时列阵光束的扩展小,但非相干合成时列阵光束扩展受湍流的影响比相干合成时的小.特别地,N足够小或r₀足够大时,相干与非相干合成列阵光束的远场束宽相等.另一方面,还给出了相干和非相干合成径向分布高斯列阵 关键词： 径向分布高斯列阵光束 大气湍流 相干和非相干合成 二阶矩束宽     

Coherence vortices of partially coherent beams in the far field

Based on the propagation law of cross-spectral density function, studied in this paper are the coherence vortices of partially coherent, quasi-monochromatic singular beams with Gaussian envelope and Schell-model correlator in the far field, where our main attention is paid to the evolution of far-field coherence vortices into intensity vortices of fully coherent beams. The results show that, although there are usually no zeros of intensity in partially coherent beams with Gaussian envelope and Schell-model correlator, zeros of spectral degree of coherence exist. The coherence vortices of spectral degree of coherence depend on the relative coherence length, mode index and positions of pairs of points. If a point and mode index are kept fixed, the position of coherence vortices changes with the increase of the relative coherence length. For the low coherent case there is a circular phase dislocation. In the coherent limit coherence vortices become intensity vortices of fully coherent Laguerre--Gaussian beams.     

The directionality of partially coherent beams expressed in terms of the far-field divergence angle and of the far-field radiant intensity distribution

Taking the partially coherent cosh-Gaussian beam (ChG) as an illustrative example, the far-field divergence angle and directionality of partially coherent beams are studied. There are three competing physical mechanisms, i.e., the spatial coherence, diffraction and decentration, which affect the far-field divergence angle of partially coherent ChG beams. Two partially coherent ChG beams may generate the same far-field divergence angle, and partially coherent ChG beams may also have the same far-field divergence angle as a fully coherent ChG beam or as a fully coherent Gaussian laser beam if the three physical mechanisms are appropriately balanced. The consistency of the directionality of partially coherent beams expressed in terms of the far-field divergence angle and in terms of the far-field radiant intensity distribution is examined. Generally, two partially coherent beams with the same far-field divergence angle have not certainly the same far-field radiant intensity distribution. However, under certain conditions, it is possible to achieve the consistency of the directionality expressed in terms of the far-field divergence angle and of the normalized far-field radiant intensity distribution.     

High-order mode Laguerre–Gaussian beam transformation using a 127-actuator deformable mirror: numerical simulations

Transforming high-order mode Laguerre–Gaussian beams in the far-field using a 127-actuator deformable mirror controlled by a stochastic parallel gradient descent algorithm is presented. As a phase shift of half wave exists between every neighboring lobes of high-order mode Laguerre–Gaussian beams, there are multiple lobes in the far-field. The suitable beam radius related to the aperture size of the deformable mirror is discussed. Three system performance metrics are evaluated, and encircled energy is preferred. Simulation results show that it is possible to compensate for the phase shifts and other phase aberrations of a high-order mode Laguerre–Gaussian beam and achieve a single bright lobe with this approach. Transforming the far-field intensity distribution of high-order mode Laguerre–Gaussian beams into Gaussian and super Gaussian distributions are also investigated.     

两路120 W固体激光高光束质量相干合成

通过主动相位控制实现了两路固体激光器的高光束质量相干合成输出,总输出功率达到240W。建立了两路120W板条激光放大器,通过光束整形获得了高光束质量方形光斑,并实现了高占空比光束拼接,填充因子高于92.4%。研制了光轴一致性探测与控制系统,采用基于压电陶瓷的快反镜实现了光轴的高精度闭环控制,两束激光光轴一致性优于2μrad(RMS)。设计了基于现场可编程门阵列(FPGA)的相位探测与控制系统,用随机并行梯度下降算法(SPGD)锁定了两束激光的活塞相位。相位闭环后,远场光斑峰值提高到开环状态的1.7倍,为理想值的84%。合成光束主瓣包含67%的激光总能量,光束质量(BQ)为1.1。     

Experimental research on application of Hartmann micro-lens array in coherent beam combination of two-dimensional laser array

We demonstrate experimentally the application of a phase error detection method in the coherent beam combination (CBC) of a laser array. The method is based on the Hartmann micro-lens array. Both the piston and tilt errors can be detected and corrected simultaneously by combining this method with adaptive optics-correcting technology. The far-field intensity pattern of the combined beam has high energy concentration and good beam quality. The power encircled in the main lobe of the far-field pattern is 41.3%, and the contrast of the pattern reaches 81.8%. Experimental results show the great potential of the Hartmann phasing method for use in the CBC of a large number of laser beams.     

子束排列方式对固体激光器光束合成特性的影响

 建立了固体激光器矩形光斑光束合成的理论模型,对诺·格公司给出的2束、4束、8束合成实验结果进行分析,并通过数值模拟,得到了不同子束排列方式下合成光斑的远场图形。通过仿真模拟可以得出:排列结构影响远场光斑的形状;子束间距决定了合成光束远场光斑的衍射旁瓣的大小和多少。采用环围能量进行分析,研究了远场光斑中主瓣能量随激光阵列占空比的变化。结果显示,远场光束环围功率随子束间距的增大而逐渐下降,而且参与相干合成子束越多,下降越大。