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宽带激光束在复杂光学系统中的传输

毛海丹  
【摘要】:研究者们发现在高功率激光驱动器中,采用宽带激光输入比单色激光输入有更强的优越性。譬如说,当采用宽带激光输入时,干涉、衍射效应被显著抑制,可以获得更高的输出功率等等。而且,随着激光技术的发展和新材料的出现,实验上可获得频谱越来越宽的激光。人们对于单色激光束的传输特性已经比较清楚,而对于宽带激光的情况相对来说比较陌生。因此,开展宽带激光束传输特性方面的研究工作具有重要科学意义和潜在应用价值。本论文主要研究了宽带激光束在复杂光学系统中的传输特征。在本论文中,假定输入面上的宽带激光束,其空间分布和频谱分布是相互独立的。同时,为了便于数值计算,假定宽带激光束的频谱分布函数是矩形分布函数。通过本论文的研究,为宽带激光束的实际应用提供理论依据,并丰富激光传输与变换方面的理论知识。 在第一章中,我们首先介绍了本论文的研究背景和研究动态,阐明本论文工作的意义。然后,简单地概述一下本论文已经开展的工作和已经取得的一些理论结果。最后,比较详细地阐述了本论文所采用的基本理论和基本方法,如:矩阵光学方法、广义衍射理论、部分相干光理论、分数傅立叶变换、光束传输因子及kurtosis参数。 在第二章中,研究了宽带高斯光束和宽带高斯-谢尔模光束在自由空间中传输时的光强二阶矩和四阶矩。从理论上推导得到了宽带激光束的光强等于其各个频率成份的光强之和。将单色激光束的传输理论推广到宽带激光束的情况,并且将针对单色激光束的光强二阶矩和四阶矩的概念推广到宽带激光束的情况,分别推导得到了宽带高斯光束和宽带高斯-谢尔模光束在自由空间中传输时的光强二阶矩和四阶矩公式。对于宽带激光束的传输问题,我们很难得到解析的传输方程以及光强二阶矩和四阶矩的表达式,因此有必要进行一些数值模拟计算。数值计算结果表明:随着带宽增加,宽带高斯光束的束宽、发散角、光束传输因子和kurtosis参数都变大;随着带宽增加,宽带高斯-谢尔模光束的光束传输因子和kurtosis参数都变大。 在第三章中,研究了宽带部分相干平顶光束在湍流大气中传输时的光强二阶矩。考虑时间上平稳的宽带激光束,将单色激光束在湍流大气中的传输理论推广到宽带激光束的情况,并且将针对单色部分相干光的二阶矩理论作了推广,得到了宽带部分相干光束的光强二阶矩定义。数值模拟计算结果表明:宽带部分相干平顶光束在自由空间中传输时的光束发散角和光束传输因子均保持不变;宽带部分相干平顶光束在湍流大气中传输时的光强二阶矩比在其自由空间中传输时的光强二阶矩受带宽影响小;宽带完全相干平顶光束的光强二阶矩比宽带部分相干平顶光束的光强二阶矩受带宽影响小 在第四章中,我们首次提出了硬边光阑的矩阵表示。将硬边光阑展开成不同权重因子的高斯光阑。同时得到了受光阑限制的分数傅立叶变换的矩阵。这种方法可以方便有效地处理激光束在受硬边光阑限制光学系统中的传输问题。分析了宽带高斯-谢尔模光束在受限分数傅立叶变换系统中的传输特性。我们发现:小分数度输出面上的光强分布受带宽影响较明显;当宽带高斯-谢尔模光束和宽带完全相干高斯光束分别在受限分数傅立叶变换系统中传输时,前者的光强分布比后者的光强分布受光阑调制明显;宽带高斯-谢尔模光束通过理想分数傅立叶变换系统后,分数面上的光强分布基本上不受带宽影响。 在第五章中,分析了阵列宽带高斯-谢尔模光束在自由空间中传输时的光强分布和等时复相干度。研究结果表明:带宽对阵列宽带高斯-谢尔模光束在近场的光强基本上没影响。对于相干叠加的情况,带宽对阵列宽带高斯-谢尔模光束在远场的光强分布影响比较明显。在远场,具有一定带宽的阵列宽带高斯-谢尔模光束能够抑制光强的调制峰;在近场,带宽对阵列宽带高斯-谢尔模光束的等时复相干度基本上没影响。随着传输距离的增加,不同带宽的阵列宽带高斯-谢尔模光束的等时复相干度之间的区别变得明显。 最后,在第六章中,对本论文的研究工作作了总结,指出本论文的创新点,并对今后的研究工作作了展望。


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