色散透镜系统中宽带厄米-高斯光束的焦移

为了了解带宽对厄米-高斯光束的聚焦特性和焦移的影响，采用衍射积分推导了TEM₁₁模和TEM₂₂模厄米-高斯光束通过受光阑限制色散透镜的传输公式，并利用数值计算对聚焦光强分布进行了研究，分析了带宽对两种模式焦移的影响。结果表明，TEM₁₁模和TEM₂₂模厄米-高斯光束的焦移量都会随带宽增大而增大，但两者的大小依赖相对带宽；当相对带宽小于0.25时，TEM₂₂模焦移量大于TEM₁₁模焦移量，然而相对带宽大于0.25时，后者会稍大于前者；带宽变化使TEM₂₂模轴上光强主极大和次极大发生消长，从而引起轴上光强极大位置发生跃变。该研究结果对宽带厄米-高斯光束的应用具有一定的参考价值。     

拉盖尔-高斯光束入射石英基底石墨烯涂层的透射光强分布特性研究

石墨烯材料在光学领域的特性吸引了众多学者进行研究。本文基于角谱衍射理论建立了拉盖尔-高斯光束入射石英基底石墨烯涂层的双层结构模型,研究了拉盖尔-高斯光束通过该模型的透射光强分布特性,分析了改变石英基底的方向自相关长度、拉盖尔-高斯光束的拓扑荷数和石墨烯涂层的厚度对拉盖尔-高斯光束入射该模型的光强分布影响,且搭建了实验来进行验证,将其结果进行对比。结果表明：随着石墨烯涂层厚度增加,拉盖尔-高斯光束透过的光强随之减弱,当石墨烯涂层的厚度大于20 nm时,光强强度明显减弱。当石英基底的方向自相关长度增大时,光束受粗糙面影响变大,光强分布中暗斑变多。本文研究结果可以为石墨烯材料光学特性的研究提供支撑。     

色散会聚透镜系统中的微米焦开关

为了研究宽带TEM₂₂模厄米-高斯光束通过受光阑限制色散会聚透镜系统的微米焦开关现象, 采用数值计算方法对TEM₂₂模厄米-高斯光束的光强分布进行了分析, 取得了传输轴上光强分布的数据。结果表明, 带宽变化引起轴上TEM₂₂模厄米-高斯光束两个光强极大的相对大小改变, 结果导致光强主极大位置跃变; 当相对带宽γ=0.231且菲涅耳数F_w=100时, 光强主极大位置跃变距离为2.5μm, 出现微米焦开关现象; 带宽和菲涅耳数是影响光束微米焦开关的重要因素; 菲涅耳数较大时, 较窄的带宽就可以诱导微米焦开关, 反之则需要较宽的带宽。此研究结果有助于光通信技术中微纳光学器件的设计和制作。     

拉盖尔-高斯光束经单缝后的光强分布和螺旋谱

根据菲涅耳衍射积分,研究了拉盖尔-高斯光束经过单缝衍射后的光强分布,发现拉盖尔-高斯光束经过单缝后衍射条纹会出现空心和发生弯曲,并与实验结果进行了比较.研究了拉盖尔-高斯光束经过单缝后的螺旋谱,发现单缝的存在会使螺旋谱展宽.给出了拉盖尔-高斯光束经过单缝衍射后的相位分布.研究结果可用于涡旋光束拓扑电荷数的测量.     

光纤激光及其相干合成光场的准确分析

为了准确地研究光纤激光及其相干合成光束的远场传输特性,采用将LP01模分解为许多不同拉盖尔-高斯模叠加的方法,分析了LP01模以及多个光纤激光相干合成光束的传输光场分布和光束质量,并与用高斯函数表示的光纤激光的光场进行了比较.分析中发现,基模高斯光束与LP01模的初始场分布基本相同,但传输后的光场分布会产生较大误差,在光纤激光相干合成光场的分析中两者间的差别也非常明显.结果表明,为更准确地分析光纤激光及其相干合成光束的传输特性,光纤激光的模场表达式应采用拉盖尔-高斯模的叠加式.     

空间光调制器产生拉盖尔-高斯光束方法研究

为了解决产生拉盖尔-高斯模式光束较难的问题,采用二进制振幅全息图方法,基于空间光调制器,产生了拉盖尔-高斯光束,进行了理论分析和实验验证。推导了高斯光束到拉盖尔-高斯光束傅里叶变换的传递函数,通过对拉盖尔-高斯模拟图的修正,得出了可以用于空间光调制器的二进制全息图; 搭建了基于4f系统的实验平台,取得了不同阶数的拉盖尔-高斯模式输出,并在实验中对产生的拉盖尔-高斯光束进行了检测。结果表明,此套装置搭建及操作简便,且可实现动态可控的光束输出,对于产生高阶涡旋光束以及因斯-高斯模式都有重要意义。     

受限拉盖尔-高斯光束湍流传输时轴上光强分布

为了研究受限拉盖尔-高斯光束湍流传输时轴上光强分布,采用扩展惠更斯-菲涅耳原理方法进行了理论分析,得到了受发射圆孔限制的拉盖尔-高斯光束在大气湍流中传输时轴上光强的表达式。并运用MAPLE模拟,取得了不同湍流强度、波长和发射圆孔孔径下轴上光强的分布理论数据。结果表明,拉盖尔-高斯光束在不同阶数、湍流强度、波长和发射圆孔孔径下,真空和湍流较弱时,轴上光强在近场发生明显振荡,达到最大值后,强度明显开始降低,湍流较强时,传输很近距离强度就迅速衰减,并与其在真空中的传输特性进行了比较。这一结果对研究拉盖尔一高斯光束是有帮助的。     

受限拉盖尔-高斯光束湍流传输时轴上光强分布

为了研究受限拉盖尔-高斯光束湍流传输时轴上光强分布,采用扩展惠更斯-菲涅耳原理方法进行了理论分析,得到了受发射圆孔限制的拉盖尔-高斯光束在大气湍流中传输时轴上光强的表达式.并运用MAPLE模拟,取得了不同湍流强度、波长和发射圆孔孔径下轴上光强的分布理论数据.结果表明,拉盖尔-高斯光束在不同阶数、湍流强度、波长和发射圆孔孔径下,真空和湍流较弱时,轴上光强在近场发生明显振荡,达到最大值后,强度明显开始降低,湍流较强时,传输很近距离强度就迅速衰减,并与其在真空中的传输特性进行了比较.这一结果对研究拉盖尔-高斯光束是有帮助的.     

涡旋光束单缝衍射的理论和实验研究

根据菲涅耳衍射积分,研究了拉盖尔-高斯光束经过单缝衍射后的光强分布.研究表明,拉盖尔-高斯光束经过单缝后衍射条纹会发生断层和弯曲,弯曲的方向和程度跟拓扑电荷数紧密相关.实验结果也证实了这一现象.还研究了拉盖尔-高斯光束经过单缝后的螺旋谱.研究表明,单缝的存在会使螺旋谱展宽,展宽程度受到拓扑电荷数、光斑大小以及单缝缝宽的影响.     

分数傅里叶变换面上厄米-拉盖尔-高斯光束的变换特性

为了研究厄米-拉盖尔-高斯(HLG)光束在分数傅里叶变换(FRFT)面上的变换特性,利用柯林斯(Collins)公式,导出了其通过分数傅里叶变换系统后,在分数傅里叶变换面上的光强分布解析式.并利用此解析式作数值计算,研究了其在分数傅里叶变换面上的光强分布特性.研究表明,厄米-拉盖尔-高斯光束在分数傅里叶变换面上的光强分布受参量α,模指数m,n和分数傅里叶变换阶数p的影响.光强分布随p和α周期性变化,周期分别为2,2π.此外,厄米-拉盖尔-高斯光束通过分数傅里叶变换系统后,光束形状保持不变.     

Equal intensity and phase contours in focused Gaussian laser beams

The intensity and phase distributions of TEM₀₀ as well as higher-order Gaussian laser beams are illustrated with contour maps. Sufficient mathematical formulation leading to these plots is given. The locations and values of intensity extrema are given for lower-order Hermite- and Laguerre-Gaussian modes     

熔融石英基片热形变及其对光束质量的影响分析

熔融石英基片受高能激光辐照后，受热产生的热形变会恶化系统出射的光束质量。为了研究光束质量的恶化情况，采用COMSOL有限元分析软件，建立了在连续高能激光辐照下熔融石英基片热形变分析模型，并针对基片在不同的夹持方式下的热形变进行了比较分析，得到了基片受热后的温度分布和形变分布情况，并利用VirtualLab软件定量分析了熔融石英基片热形变对光束质量的影响。结果表明，采用四周固定的方式，热形变量是最小的；基片的热形变会对光束质量造成影响，激光辐照时间越长，热形变量越大，对光束质量影响越大；当基片被激光辐照20s后，采用夹板固定的基片最大形变量达到415.90nm，光束质量因子M_x2由1.0036恶化至1.4571；采用四周固定的基片最大形变量达到98.38nm，光束质量因子M_x2由1.0036恶化至1.0064。这一结果对后续激光合束系统搭建以及光束质量优化有重要的指导意义。     

双横模输出微片谐振腔双频频差调谐特性研究

双偏振激光谐振腔能够产生两个垂直偏振的横模模式, 分别为基横模(TEM₀₀)和具有轨道角动量的涡旋光束(LG₀₁), 二者在光频率上具有频差。为了研究两个横模的频率差调谐特性, 采用温度与电压相结合的调谐技术方法, 实现拍频信号在不同频率范围的连续调谐。理论计算分析了两模式频差分别与温度和电压的对应关系, 实验实现了频差的大范围可调谐性, 并对频差的调谐精度进行了测量分析。结果表明, 频差与温度和电压之间都呈现出良好的线性关系, 并得到对温度和电压的调谐斜率分别为3.14GHz/K和1.76MHz/V。该研究能够更好地分析双偏振谐振腔直接产生涡旋光束现象, 并在激光通信和激光雷达探测等技术领域具有应用价值。     

Optical characteristics of multitransverse-mode two-dimensionalvertical-cavity top surface-emitting laser arrays

We observe for the first time up to nine transverse modes lasing in the individual elements of a two-dimensional vertical-cavity top surface-emitting laser array under pulsed operation. These modes consist of the TEM_0,0, TEM_0,1, TEM_1,0, TEM_1,1, TEM_0,2, TEM_2,0, TEM_1,2 , TEM_2,1, and TEM_2,2 modes, Each of these modes couples coherently across the array to form very distinct supermodes. The transverse modes as well as the resulting supermodes are identified by examining the near-field and far-field profiles as well as the corresponding spectra. We also obtain a record 1.4 W (pulsed) of coherent output power from the array during multitransverse-mode operation. In addition, the polarization properties of the array are investigated, It is found that the TEM_0,1 mode is horizontally polarized along the [011] crystalline axis while all the other modes are dominantly vertically polarized along the [011¯] axis     

熔石英玻璃激光损伤的三维应力场研究

为了研究CO₂激光损伤后熔石英玻璃内部的三维应力场分布,采用脉冲CO₂激光与熔石英玻璃相互作用的有限元数值模型,计算了脉冲激光停止时熔石英玻璃内部的温度分布,并研究了材料冷却后的内部三维应力分布和表面初始损伤形貌,计算结果与实验结果吻合。以该模型为基础,详细分析了径向和环向应力的三维分布,结果表明,在损伤凹坑附近,径向应力表现为压应力,且在凹坑底部附近取得最大值后,径向应力沿深度方向逐渐转化为拉应力;损伤凹坑附近的环向应力与径向应力相似,均表现为压应力,但压应力沿径向逐渐转化为拉应力,不同深度处的环向应力沿轴向增至最大后逐渐减小。另外,脉冲激光能量的增大导致径向应力与环向应力及其影响范围均有明显增加。研究结果有助于分析激光损伤熔石英玻璃内部的三维应力场,为CO₂激光修复工艺的改进提供了理论依据。     

激光切割石英的切向裂纹研究

激光切割熔融石英材料出现裂纹的主要原因是相当大的温度梯度所产生的过大热弹性应力。本文对惯性导航用加速度计的关键部件——石英摆片激光切割过程中的切向裂纹问题进行了定量的研究，通过对切向裂纹产生的位置、切口处温度场和应力场的计算分析，给出了切向产生裂纹的评价准则，这对激光加工过程中切向裂纹控制具有极其重要的意义。     

钡化合物辅助激光刻蚀石英玻璃的实验研究

为了提高石英玻璃对普通脉冲红外激光的吸收效率,用钡化合物粉体覆盖层辅助1064nm红外激光刻蚀石英玻璃,采用能谱仪和X射线衍射分别对BaCrO₄,BaCl₂和Ba（OH）₂粉体覆盖层辅助激光刻蚀石英玻璃得到的刻槽底面刻蚀产物进行了测试和分析,对3种刻蚀方法的刻蚀机理进行了理论分析和实验验证。结果表明,BaCrO₄和Ba（OH）₂粉体的刻蚀机理都存在化学反应去蚀石英玻璃的作用,二者去蚀率都较高;BaCl₂粉体的刻蚀过程中无化学反应起到去蚀作用,去蚀率低下。这一结果对激光加工石英玻璃的工业应用提供技术基础。     

Silent-discharge excited TEM00 2.5 kW CO2laser

The performance characteristics of the TEM₀₀ 2.5-kW silent-discharge-excited, transverse-flow CO₂ laser are presented. The silent-discharge excitation is advantageous for a high-quality beam pattern and for pulsed operation and sealed-off operation. Furthermore, the discharge power can be easily increased without limitation due to the instability of the discharge itself     

High-Power High-Brightness Operation of a 2.25- $mu$m (AlGaIn)(AsSb)-Based Barrier-Pumped Vertical-External-Cavity Surface-Emitting Laser

We report on the output power performance and beam profile analysis of an optically pumped GaSb-based vertical-external-cavity surface-emitting laser operating at 2.25 mum. The use of a SiC heatspreader and a precise control of the temperature-dependent modal gain allowed for improved high-power operation with a maximum continuous-wave output power of 3.4W at 10degC heatsink temperature. At 0degC, a maximum output power >2.9 W was observed and still more than 1.6 W were obtained at room temperature. Using second-order moments for the definition of the beam diameter, a beam propagation factor M²~5 of was measured at maximum output power. Optimizing the beam quality of the laser resulted in a beam profile close to the Gaussian TEM₀₀ mode (M² ap 1.5) and still more than 2-W output power at 0degC.