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双半高斯空心光束的形成、传输及控制技术研究

董渊  
【摘要】: 随着空心激光技术在生物学、激光加工和原子冷却等方面得到广泛的应用,人们已经利用不同的方法研制出了各种光强分布形式不同的空心光束,如双高斯空心光束、贝塞尔光束等等,它们的共同点都是光强从光束内边缘到中心光强逐渐减弱,呈渐变式分布,理论上,只有空心光束中心上的一点光强才为零。这必将限制了空心光束在某些场合的应用。针对此问题,本文提出了一种空心区域光强完全为零、在内边缘处径向光强呈阶跃式分布、从光环的内边缘处到光环的外边缘处按高斯函数规律减弱的特殊模式的空心光束—双半高斯空心光束。并在双半高斯空心光束的形成方法、传输特性及控制技术三个方面进行了深入的研究。 本文的主要研究内容及其成果和创新点表现在以下几方面: 1、研究了双半高斯空心光束的形成方法 在双半高斯空心光束的形成方法方面主要研究了反射式光学法、透射式光学法以及锥形折射法。 反射式光学法:在深入研究特殊非球面正圆锥反射镜的成像性质的基础上,根据光的成像原理,’提出了用来形成双半高斯空心光束的两种特殊的光学系统,即分光对偶反射式光学系统和双分离圆锥镜反射式光学系统。通过数学建模与仿真,得到了上述两种系统的结构参数。在实验上获得了宽度半径比约为3.0、空心区域为零的双半高斯空心光束,这是目前获得的最大宽度半径比的空心光束。 透射式光学法:根据非球面正、负圆锥镜对光线的特殊偏折特性,研制出形成双半高斯空心光束的正、负圆锥镜组合式光学系统。通过对正、负圆锥镜之间的间隔的调整,可以实现对双半高斯空心光束的宽度半径比进行实时调制。 锥形折射法:从双轴晶体的锥形折射效应的基本原理出发,据此选取双轴晶体的种类及尺寸,设计出发射空心光束的实验装置,在实验上获得了光束质量较好的锥角可变的动态空心光束。但是,利用此方法产生的空心光束的转换效率较低,仅为30%左右。 2、建立了双半高斯空心光束的传输模型并研究了其传输特性 建立了平行发射状态条件下的双半高斯空心光束在传输距离z=0处光场分布的数学模型,推导出在柯林斯公式条件下的双半高斯空心光束衍射传输积分方程。在此基础上,将空心光束的锥角合理的引入到上述的双半高斯空心光束衍射传输积分方程中,建立了柯林斯公式条件下的锥状双半高斯空心光束传输模型。研究表明当空心光束的锥角大于某一定值时,该种空心光束在传输过程中将不再出现以往空心光束所特有的“自聚焦”效应,而是双半高斯空心光束的内、外径随着传输距离的增加而按几何规律变大,说明处于锥状发射状态的双半高斯空心光束具有退衍射效应。为此,我们又建立了非柯林斯公式条件下的锥状双半高斯空心光束传输模型,并与上述模型进行了详细比较,结果表明在一定锥角条件下,可以忽略双半高斯空心光束的衍射效应,完全可以用该模型来描述其传输特性。 在较好的天气条件下(不考虑大气的影响)进行了野外实验。在一定锥角发射条件下,双半高斯空心光束的内径和外径随着传输距离的增加而逐渐变大。利用自行设计的光强检测装置,在不同的传输距离处对空心光束的内径进行了测量,实验结果表明:在柯林斯公式条件和非柯林斯公式条件下的锥状双半高斯空心光束传输模型和实验吻合较好。 另外,分别建立了处于动态和静态发射时的双半高斯空心光束衰减模型,并进行了模拟仿真研究,得出了在各种条件下的衰减规律。 3、利用变焦系统发射条件下,研究了双半高斯空心光束的控制技术 对双半高斯空心光束进行控制,实际上是控制该种空心光束的内、外锥角。本论文根据具体的假定条件,建立了匀速运动物体受控于双半高斯空心光束内的物理模型,并提出了一种新型串联式变焦光学系统。在此基础上,给出了与物理模型相对应的数学模型,通过模拟仿真得到了在各种条件下的锥角控制规律。


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