基于模拟退火算法的自适应近场光束整形

在激光实际应用中,为了提高系统的利用效率,常常需要将激光器的输出光束整形为特定光强分布光束.基于纯相位液晶空间光调制器的高空间分辨率、实时可编程控制等特性,结合模拟退火算法搭建了一套自适应近场光束整形系统.理论模拟了该系统对于理想高斯光束的近场整形效果,并基于这一闭环系统,对固体激光器输出的近高斯光束进行了近场光束整形...     

基于液晶空间光调制器的激光束近场整形

激光器输出的光束光强通常为高斯分布,但在很多实际应用中,为了提高激光系统的整体利用效率,需要将高斯分布的光束整形为空间均匀分布的平顶光束。从能量守恒定律和等光程原理出发,分析了非球面镜整形系统,得到了面型相位分布,基于此原理利用纯相位型液晶空间光调制器实现了对近高斯分布光束的光强整形,获得了近"平顶"的光束近场分布,并利用哈特曼波前传感器测量了整形后的光束波前相位分布。     

采用液晶空间光调制器进行激光光束的空间整形

提出采用液晶空间光调制器进行激光束的实时,可调控光束空间整形的新方法,研究了液晶空间光调制器的光学调制特性,用液晶空间光调制器衬时产生的软边切趾光阑与空间滤波器结合,有效地对任意光束进行空间整形,获得光束填充因子高,近“平顶”光强的光束近场分布。     

基于液晶空间光调制器的激光束整形

采用相位混合算法(PMA)与平滑修正法相结合的混合算法,对激光发出的高斯光束进行整形,得到了均方误差和顶部不均匀度均明显降低的等光强分布。利用液晶空间光调制器(LCSLM)的相位调制特性,实现了对高斯光束的光束整形,获得了光强均匀分布的圆光束和矩形光束输出。得到的输出光束顶部不均匀度和均方误差都低于5%,能量集中度在90%以上。表明此方法是一种实时、可控和高效的激光束整形方法。     

利用光束整形器件阵列消除电寻址空间光调制器的"黑栅"效应

研究了电寻址空间光调制器中由于低开口率所引起的"黑栅"效应对图像质量的影响。提出了一种基于纯相位型光束整形器件阵列的"黑栅"消除方法,并分析了该方法的基本原理。介绍了用Gerchberg Saxton相位恢复算法来设计光束整形器件的基本思路,给出了光束整形的结果。理论分析及仿真计算表明,该方法能有效地消除电寻址空间光调制器相邻像素之间的黑带。     

利用液晶空间光调制器产生高阶拉盖尔高斯光束

本文采用反射式纯相位液晶空间光调制器产生了实验需要的高阶拉盖尔高斯光束。理论上详细计算了生成高阶拉盖尔高斯(Laguerre-Gaussian)光束的最优参数选择,用MATLAB编写程序,制作产生高阶LG光束的相息图。通过CCD采集图像数据,观测了以平面波入射生成拉盖尔高斯光束的强度分布,并利用干涉法验证了产生高阶拉盖尔高斯光束的螺旋相位分布。在此基础上,对实验测得一维强度轮廓进行拟合分析并估算了实验产生LG光束的纯度。     

电寻址空间光调制器“黑栅”效应的消除方法

提出了两种消除电寻址空间光调制器由于低开口率所引起的"黑栅"效应的方法:利用衍射微透镜阵列的方法和利用纯相位型光束整形器件阵列的方法.分析了这两种方法的基本原理,给出了微透镜阵列和光束整形器件阵列的设计思想,并比较了这两种方法的异同点.采用杨一顾相位恢复算法得到了光束整形结果.理论分析及仿真计算表明:这种方法均能有效地消除电寻址空间光调制器相邻象素之间的黑带.     

基于空间光调制器的光束大角度扫描技术研究

为实现一束激光在90°锥形范围内的扫描,利用液晶空间光调制器在光束偏转控制时精度高、无机械惯性等优点,研究并建立了基于液晶空间光调制器的光束偏转和角放大光路系统。提出了空间光调制器的可编程相位调制算法和角放大光路结构,推导了空间光调制器光束偏转角度与相位灰度驱动图的关系,设计了角度放大倍率高于22倍的角放大光路系统。在此基础上,建立了光束扫描控制实验系统,对该装置角度出射范围进行了测量,将实际的角放大倍率与设计值进行对比。实验结果表明:研制系统的出射视场角可达91.22°,并可通过畸变校正实现出射视场角范围内的规则形状扫描。该研究在光束敏捷控制、无线激光通信、目标搜索与追踪等领域具有重要的研究价值和应用前景。     

基于液晶空间光调制器的脉冲整形系统校准及应用

搭建了反射式光脉冲整形系统,通过改变加载到液晶空间光调制器各像素点的调制电压,测定系统分辨率及调制电压与输出信号光强和相位变化的关系,并对液晶空间光调制器进行校准.实验结果表明:光强随调制电压周期变化,相位随调制电压非线性变化;系统分辨率为10GHz,像素调制间隔为0.08nm,即能够实现对频率间隔10GHz的光信号的调制.应用该系统,以谱线间隔为10GHz的光学频率梳为信号源,对脉冲频谱进行整形,产生了平坦、高斯型、三角、倒三角及光学频率梳信号.     

高阶涡旋光束生成技术研究

应用液晶空间光调制器加载螺旋相位片的方法可以高效地生成涡旋光束,但由于液晶空间光调制器分辨率有限,在加载高阶螺旋相位片时其中心会出现相位失真,造成涡旋光束质量不高。通过在螺线相位片中心区域引入闪耀光栅的方法,得到了光束质量较高的高阶单模涡旋光束和多模涡旋光束,为生成高阶涡旋光束提供了一种很好的方法。     

Hollow Gaussian beam generated by beam shaping with phase-only liquid crystal spatial light modulator

Based on the refractive beam shaping system, the transformation of a quasi-Gaussian beam into a dark hollow Gaussian beam by a phase-only liquid crystal spatial light modulator (LC-SLM) is proposed. According to the energy conservation and constant optical path principle, the phase distribution of the aspheric lens and the phase-only LC-SLM can modulate the wave-front properly to generate the hollow beam. The numerical simulation results indicate that, the dark hollow intensity distribution of the output shaped beam can be maintained well for a certain propagation distance during which the dark region will not decrease whereas the ideal hollow Gaussian beam will do. By designing the phase modulation profile, which loaded into the LC-SLM carefully, the experimental results indicate that the dark hollow intensity distribution of the output shaped beam can be maintained well even at a distance much more than 550 mm from the LC-SLM, which agree with the numerical simulation results.     

Near-diffraction-limited dark hollow beam generated by using a hybrid control way

We propose and demonstrate the generation of dark hollow beam with plane wavefront in the near field based on a hybrid control way by using dual phase only liquid crystal spatial light modulators (LC-SLMs). One phase only LC-SLM redistributes the intensity to the target distribution based on refractive beam shaping system and the other phase only LC-SLM adaptively compensates the wavefront of the output beam by using stochastic parallel gradient descent (SPGD) algorithm. Compared with conventional refractive beam shaping system, the hybrid control way can not only improve the far-field energy concentration of the output beam, but also can correct the phase distortion of the system. Influences of phase distortion on laser beam shaping are analyzed in detail. The theoretical and experimental results show that the near-diffraction-limited dark hollow beam can be successfully generated by using this hybrid control way. The power in the main lobe of the airy disk pattern area in the far field is 2.3 times larger than that without being adaptively compensated.     

广义双曲正弦-高斯光束的Gyrator变换性质和暗空心光束产生

基于Gyrator变换,推导了广义双曲正弦-高斯光束场分布的解析表达式,研究了广义双曲正弦-高斯光束在Gyrator变换平面上的光强分布和相位特性.结果表明,在Gyrator变换过程中,具有边缘位错相位特性的双曲正弦-高斯光束能转换为具有涡旋的暗空心光束,并确定产生的暗空心光束的拓扑荷指数为一,而不具有边缘位错相位特性的双曲余弦-高斯光束则不可能出现空心结构.对影响变换场强度和相位分布的束结构参数及系统参数进行了分析讨论.     

Generation of dark hollow beam by use of phase-only filtering

A simple but effective scheme to generate dark hollow beams is proposed by use of phase-only filtering and optical Fourier transform. A Gaussian beam of fundamental mode is modulated by a pre-designed phase mask, which is a piecewise modification of an axicon lens, and followed by a Fourier transform to generate an ideal dark hollow beam at the focal plane. This method has an advantage that the total energy of the beam is conserved under paraxial approximation. Numerical calculations are provided to show the validity of the proposed scheme.     

Propagation of a phase-locked circular dark hollow beams array in a turbulent atmosphere

The propagation of phase-locked circular dark hollow beams array in a turbulent atmosphere is studied. An analytical expression for the average intensity distribution at the receiving plane is obtained based on the extended Huygens-Fresnel principle. The effects of turbulence, dark parameter and beam order of the beams array on the intensity pattern are studied and analyzed. It is found that the intensity pattern of the phase-locked circular dark hollow beams array will evolve from a multiple-spot-pattern into a Gaussian beam spot under the isotropic influence of the turbulence. The intensity pattern of beam array with a larger dark parameter and beam order evolves into the Gaussian-shape faster with increasing propagation distance.     

四瓣高斯光束的Gyrator变换性质和矩形空心光束的产生

基于Gyrator变换,推导了四瓣高斯光束场分布的解析表达式,研究了四瓣高斯光束通过Gyrator变换后的光强分布和相位分布.结果表明:在Gyrator变换过程中,四瓣高斯光束能够转换为具有光涡旋的矩形空心光束,在获得矩形空心光束时其四顶角处光束强度最强,而四条边上的光束强度分布几乎是均匀的.对影响矩形空心光束强度和相位分布的光束参数和变换角进行了详细的分析,发现光束阶数不同,产生不同类型的空心光束;Gyrator变换的变换角则影响空心光束能量分布;空心光束亮环的大小由四瓣高斯光束的束腰宽度决定,束腰宽度越大,矩形空心光束的宽度越小.     

一种新空心光束的理论及实验研究

提出了一种用来描述空心光束的新理论模型——空心高斯光束模型，通过控制光束参数可以方便地调制空心光束黑斑的大小.导出了空心高斯光束经傍轴光学系统的解析传输变换公式.利用导出的公式计算分析了空心高斯光束在自由空间的传输特性.在实验上利用矩阵本征值方法设计了能输出空心高斯光束的光学谐振腔，对实验上得到的空心高斯光束进行了传输特性的研究.结果表明，理论和实验相吻合.该空心高斯光束产生的光势阱为控制冷原子提供了一条新途径. 关键词： 空心高斯光束 光学谐振腔 传输特性     

具有余弦-高斯关联结构函数部分相干贝塞尔-高斯光束的传输性质及四暗空心光束的产生

基于广义惠更斯-菲涅耳衍射积分公式,获得了余弦-高斯关联结构函数部分相干贝塞尔-高斯光束交叉谱密度函数通过近轴ABCD光学系统传输时的解析表达式.并因此探讨了该类光束经过自由空间传输时光强分布的演化特性.结果表明,余弦-高斯关联部分相干贝塞尔-高斯光束在合适的参数条件下能呈现自分裂等奇异传输特性.特别地,这种自分裂可实现暗空心光束的复制,即从一个暗空心光束获得四个相似的暗空心光束.并且发现这些传输特性和关联结构函数结构密切相关,因此调控关联结构函数分布以实现调制光的相干长度和空间分布性质从而可实现操控光束传输行为.由于暗空心光束在工程技术领域的重要应用价值,本文的研究结果提供了实现四暗空心光束的可能方案,从而在激光通信、微粒操控等方面具有重要的应用前景.     

超衍射极限相干反斯托克斯拉曼散射显微成像技术中空心光束的形成

空心光束的质量是超衍射极限相干反斯托克斯拉曼散射显微成像技术中决定成像质量的一个至关重要的因素. 本文基于菲涅耳衍射理论,分析了螺旋相位片法产生空心光束的物理机理,并且模拟了不同的入射条件对产生的空心光束的影响. 模拟结果表明:波长与相位片中心波长匹配且光强呈圆对称分布的高斯光垂直入射到相位片上,当高斯光束中心与相位片中心完全对准时,可获得较理想的空心光束;入射光光强分布的圆对称性以及入射光中心与相位片中心的对准程度都会影响产生的空心光束的强度分布;同时,高斯光束小角度倾斜入射时,空心光的强度分布仍呈圆对称,却在观察面发生一定的位移;此外,入射光中心波长偏离相位片中心波长不大时,对产生的空心光束的强度分布几乎没有影响. 上述分析结果对用于超衍射相干反斯托克斯拉曼散射显微成像技术中理想空心光束的获取具有重要的指导意义. 关键词： 空心光束 超衍射极限 相干反斯托克斯拉曼散射 螺旋相位片