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《中國科學(xué)院研究生院(長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所)》 2015年

激光遠(yuǎn)場聚焦光束質(zhì)量退化及相位修正

孫鵬  

【摘要】：光束聚焦可提高激光器輸出光束的能量集中度,這是激光應(yīng)用領(lǐng)域頗受關(guān)注的研究課題。光束聚焦特性的研究可為激光聚焦系統(tǒng)設(shè)計和光束(束腰位置與尺寸)精確控制提供重要的理論參考和應(yīng)用指導(dǎo)。本論文采用物理光學(xué)方法研究激光遠(yuǎn)場聚焦,探討了激光遠(yuǎn)場聚焦的光束質(zhì)量退化及相位修正問題。主要工作包括:(1)基于惠更斯-菲涅耳(Huygens-Fresnel)衍射積分和貝塞爾函數(shù),推導(dǎo)了高斯光束通過光闌與透鏡分離光學(xué)系統(tǒng)的衍射光場分布,給出了光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)與高斯光束通過光學(xué)系統(tǒng)焦移及光束質(zhì)量退化之間的關(guān)系。(2)基于柯林斯(Collins)公式,推導(dǎo)了厄米-高斯光束通過含有限制孔徑光學(xué)系統(tǒng)的傳播方程。光學(xué)系統(tǒng)的元件可用光學(xué)變換矩陣表征,孔徑可用復(fù)透過率函數(shù)描述。該方法通過將孔徑的復(fù)透過率函數(shù)展開為一系列復(fù)高斯函數(shù)和的方式來獲得衍射場的解析形式。并且借助得到的傳播方程,應(yīng)用環(huán)圍功率準(zhǔn)則,獲得了不同模式厄米-高斯光束通過光學(xué)系統(tǒng)的焦移及光束質(zhì)量退化情況。(3)搭建了高斯光束通過光闌透鏡分離系統(tǒng)的聚焦實(shí)驗(yàn)平臺,并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計算進(jìn)行對比,進(jìn)而考察高斯光束通過光學(xué)系統(tǒng)的焦移與光束質(zhì)量退化情況。(4)以二階矩(second-order moment)束寬和桶中功率(power in the bucket,PIB)為特征參數(shù),進(jìn)行了激光光束通過湍流大氣遠(yuǎn)場傳輸?shù)墓馐|(zhì)量退化研究,并給出了詳細(xì)的數(shù)值分析結(jié)果。(5)搭建了基于光束質(zhì)量性能評價函數(shù)的相位修正系統(tǒng),以提高激光光束通過光學(xué)系統(tǒng)后光斑的能量集中度,改善聚焦激光的光束質(zhì)量。利用隨機(jī)并行梯度下降(SPGD)算法,基于桶中功率性能評價函數(shù),通過變形鏡的控制,修正激光光束的相位分布,以使激光光束通過光學(xué)系統(tǒng)傳輸后的光束質(zhì)量符合實(shí)際應(yīng)用需求。

【關(guān)鍵詞】：
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院研究生院(長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TN248
【目錄】：

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