【摘 要】
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涡旋光束具有螺旋形结构的波前相位,每个光子都携带轨道角动量,且光束中心存在相位无法确定的位相奇点,使得光强呈环状分布。涡旋光束的这些独特特性在激光光学、原子光学、生物技术等众多领域有重要的应用价值。目前,对于涡旋光束的产生主要借助光学元器件整形,使得产生涡旋光束存在成本高、亮度低以及光束质量差等缺点。另外,激光光场的传输特性是激光应用领域的一个研究热点,如通过对激光束在单轴晶体中传输特性的研究,可
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涡旋光束具有螺旋形结构的波前相位,每个光子都携带轨道角动量,且光束中心存在相位无法确定的位相奇点,使得光强呈环状分布。涡旋光束的这些独特特性在激光光学、原子光学、生物技术等众多领域有重要的应用价值。目前,对于涡旋光束的产生主要借助光学元器件整形,使得产生涡旋光束存在成本高、亮度低以及光束质量差等缺点。另外,激光光场的传输特性是激光应用领域的一个研究热点,如通过对激光束在单轴晶体中传输特性的研究,可以用来设计相位波片、偏振器、光束补偿器等器件。激光束还可以作为信息的载体,应用在大气激光通信、遥感和目标追踪等领域。由于大气折射率的随机波动,传统高斯光束在大气湍流中传输时光束质量较差。针对这些问题,本文采用环形光端面泵浦的,实现了谐振腔直接输出高亮度高光束质量的涡旋光束激光器;建立了三种传输模型,分别为平顶涡旋光束在自由空间中及经小尺寸挡屏后的传输模型、平顶涡旋光束与非涡旋光束通过大气湍流介质中的传输模型和矩形拉盖尔-高斯关联部分相干光束通过大气湍流中的传输模型,并根据模型进行了相关理论研究。论文的主要研究内容和结果如下:1)研究了环形光端面泵浦Nd:YVO4连续输出1064nm涡旋光激光器,谐振腔在10%透过率耦合输出条件下,得到4.67W的涡旋光输出,斜效率为43.5%。并利用谐振腔内插入声光调制器件,实现了脉冲涡旋激光输出,得到了在重复频率1k Hz及入射泵浦功率13.5W条件下,输出涡旋激光的单脉冲能量为2.9m J,峰值功率为307.5k W。2)对比研究了涡旋光束与普通平顶空心光束在自由空间中的传输特性,研究表明在自由空间传输中,涡旋光束光强分布始终保持空心分布。还研究了涡旋光束通过小尺寸圆形挡屏后的传输特性,研究表明涡旋光束经过挡屏后的光强缺失部分随着传输距离的增加出现自愈现象。3)研究了平顶空心光束、高斯谢尔模光束、多高斯谢尔模光束以及多高斯谢尔模涡旋光束在单轴晶体中传输时的演化特性。表明光束的初始参数及单轴晶体折射率比值对光束传输特性有重要的影响。4)对比研究了完全相干光束与部分相干光束,涡旋光束与非涡旋光束在大气湍流中传输时的光束扩展及光束传输因子。表明在湍流大气中传输时,部分相干光束的M~2因子小于完全相干光束,涡旋光束的M~2因子小于非涡旋光束。并研究了合成径向平顶涡旋阵列光束空间相干特性和光束扩展。5)研究了矩形拉盖尔-高斯关联部分相干光束在大气湍流中的传输特性。研究表明矩形拉盖尔-高斯关联部分相干光束在大气湍流中传输时,光强分布的演化大致经历四个过程。当矩形拉盖尔-高斯关联部分相干光束的阶数为奇数时,演化所形成的阵列光束中心没有子光斑,反之,当阶数为偶数时,阵列光束中心则分裂出一个子光斑。另外,高阶矩形拉盖尔-高斯关联部分相干光束的M~2因子小于高斯光束、高斯谢尔模光束及低阶矩形拉盖尔-高斯关联部分相干光束,也就是说高阶矩形拉盖尔-高斯关联部分相干光束可以有效减小湍流的不利影响。
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