2024年10月28日发(作者：申茉莉)
第
14
卷 第
6
期
2002
年
11
月
强激光与粒子束
HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMS
Vol.14,No.6
Nov.,2002
文章编号
:
1001
2
4322
(
2002
)
06
2
0806
2
04
高功率激光驱动器中小尺度自聚焦和噪声模型
胡 巍
,
傅喜泉
,
喻 松
,
郭 弘
(
华南师范大学传输光学实验室
,
广东广州
510631
)
Ξ
摘 要
:
建立了一套线性的近似分析方法
,
研究高功率激光驱动器中强激光传输的小尺度自聚焦效应和
相位噪声对光束传输和光束质量的影响
,
给出了系统噪声强度、
B
积分值与光束近场调制对比度之间的定量关
系。研究表明
,
为保证输出光束质量
,
即近场调制对比度小于给定值
,
系统内的噪声强度必须符合一定的谱分
布。
关键词
:
小尺度自聚焦
;
光束质量
;
相位噪声
;
调制对比度
;
B
积分
中图分类号
:
TN248;
O437
文献标识码
:
A
非线性折射率引起的小尺度自聚焦效应是高功率激光传输中的重要现象
,
也是限制高功率固体激光驱动
器输出能量和系统效率的关键因素之一。当光束的强度分布不均匀时
,3
阶非线性的
Kerr
效应引起局部
的光强急剧增强
,
导致光束发生分裂成丝等现象
,
损伤光学元件。因此实际中要求高功率激光束的近场强度分
布尽可能均匀。
[5]
小尺度自聚焦的理论首先是由俄罗斯科学家
ov
和
v
提出的。美国科学家进一步
[3,4]
把
B
积分作为强激光系统设计的重要依据之一
,
用以衡量小尺度自聚焦效应的强弱程度。实验中不仅需
要控制
B
积分值的大小
,
还需要采用空间滤波器来保证各级放大器的
B
积分不会累加。在减小
B
积分值
的同时还必须控制系统中噪声的强度
,
例如提高材料的均匀性和元件加工精度
,
改善实验室环境等以降低噪
声。因此合理选取
B
积分值和系统允许的噪声强度
,
是高功率激光驱动器总体设计的关键点之一。
本文分析了非线性激光传输过程中噪声强度和小尺度自聚焦对光束质量的影响
,
给出了噪声强度、
B
积分
值和光束近场调制度之间的定量关系
,
特别指出了相位噪声应满足的频率分布。这些结果对抑制小尺度自聚
焦和相位噪声
,
优化系统性能
,
合理分配误差有重要意义。
[3,4]
[1
～
4]
1
光束质量和噪声模型
在高功率激光驱动器中
,
对光束质量的要求与普通激光不同
,
衡量光束质量的参数也不一样。通常的光束
2[6]
质量因子
(
M
因子
)
主要反映光束的衍射性质
,
而我们关心的是光束近场的均匀性
,
所以经常使用光束近场
的调制度或调制对比度。我们这里使用调制对比度
C
,
定义为
C
=
κ
(
I
-
I
avg
)
2
d
x
d
y
I
avg
S
2
(
1
)
式中
:
I
avg
是平均光强
;
S
是光束面积。对于完全均匀的光束有
C
=0
。具体假定含有噪声的光场分布为
E
(
x
,
y
)
=
E
0
[1+
a
(
x
,
y
)
],
其中
,
a
为噪声信号
,
a
ν
1
且κ
a
(
x
,
y
)
d
x
d
y
=0
。于是光强
I
(
x
,
y
)
≈
E
0
(
1+2
a
)
,
平均
光强
I
avg
=
E
0
,
对比度
C
则为
C
=
2
2
4
S
κ
|
a
(
x
,
y
)
|d
x
d
y
2
(
2
)
对
a
(
x
,
y
)
作空间的
Fourier
变换
,
得到
A
(
k
x
,
k
y
)
=
1
()()
π
ax
,
y
exp[i
k
x
x
+
k
y
y
]d
x
d
y
2
[7]
κ
(
3
)
根据
Fourier
变换的性质
(
Parseval
定律
)
,
我们得到频域中对比度的定义
Ξ
收稿日期
:2001
2
11
2
22;
修订日期
:2002
2
08
2
09
基金项目
:
教育部霍英东教育基金会
(
81058
)
资助课题
;
广东省自然科学基金团队项目
(
20003061
)
资助课题
;
国家
863
惯性约束聚变领域专
项经费部分资助课题。
作者简介
:
胡 巍
(
1970
2
)
,
男
,
博士
,
副教授
,
研究方向为强激光束、超短脉冲光束的传输与变换
,
非线性光学及光与物质相互作用物理
等
;E
2
mail:huwei@
。
© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
第
6
期 胡 巍等
:
高功率激光驱动器中小尺度自聚焦和噪声模型
2
807
C
=
4
S
κ
|
A
(
k
x
,
k
y
)
|d
k
x
d
k
y
2
(
4
)
(
2
)
式与
(
4
)
式的形式是一样的
,
但在后面的处理中发现频域的表达式更方便。
光束传输过程中的噪声可以分为两大类
,
即强度噪声和相位噪声。强度噪声主要来源于污迹、灰尘、损伤
等
,
对非线性折射率有直接的贡献
,
是小尺度自聚焦的直接诱因。相位噪声的来源更加广泛
,
如光学表面的起
伏、材料的密度起伏、空气扰动等
,
对非线性折射率没有直接的贡献
,
但可以通过传输过程转换为强度噪声
,
同
样是必须重视的。在本文中
,
我们将主要讨论空间相位噪声。注意到如果
a
=
u
+i
v
,
且
u
,
v
均为小量时
,
则
i
v
有近似关系
E
0
(
1+
u
+i
v
)
≈
E
0
(
1+
u
)
e
,
所以
a
的实部和虚部分别代表强度噪声和相位噪声。如果我们取
222
单一空间频率的噪声
a
=
u
cos
(
w
x
x
+
w
y
y
)
+i
v
sin
(
w
x
x
+
w
y
y
)
,
则
C
=2
(
u
+
v
)
。
2
小尺度自聚焦的线性化理论
分析高功率激光传输的出发点是非线性
Schr
ϕ
dinger
方程
(
NLSE
)
。激光场
E
=
E
(
x
,
y
,
z
)
exp[i
(
kz
-
ω
t
)
]
在非线性自聚焦介质中的传输满足
5
i
22
(
5
)
E
=
2024年10月28日发(作者：申茉莉)
第
14
卷 第
6
期
2002
年
11
月
强激光与粒子束
HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMS
Vol.14,No.6
Nov.,2002
文章编号
:
1001
2
4322
(
2002
)
06
2
0806
2
04
高功率激光驱动器中小尺度自聚焦和噪声模型
胡 巍
,
傅喜泉
,
喻 松
,
郭 弘
(
华南师范大学传输光学实验室
,
广东广州
510631
)
Ξ
摘 要
:
建立了一套线性的近似分析方法
,
研究高功率激光驱动器中强激光传输的小尺度自聚焦效应和
相位噪声对光束传输和光束质量的影响
,
给出了系统噪声强度、
B
积分值与光束近场调制对比度之间的定量关
系。研究表明
,
为保证输出光束质量
,
即近场调制对比度小于给定值
,
系统内的噪声强度必须符合一定的谱分
布。
关键词
:
小尺度自聚焦
;
光束质量
;
相位噪声
;
调制对比度
;
B
积分
中图分类号
:
TN248;
O437
文献标识码
:
A
非线性折射率引起的小尺度自聚焦效应是高功率激光传输中的重要现象
,
也是限制高功率固体激光驱动
器输出能量和系统效率的关键因素之一。当光束的强度分布不均匀时
,3
阶非线性的
Kerr
效应引起局部
的光强急剧增强
,
导致光束发生分裂成丝等现象
,
损伤光学元件。因此实际中要求高功率激光束的近场强度分
布尽可能均匀。
[5]
小尺度自聚焦的理论首先是由俄罗斯科学家
ov
和
v
提出的。美国科学家进一步
[3,4]
把
B
积分作为强激光系统设计的重要依据之一
,
用以衡量小尺度自聚焦效应的强弱程度。实验中不仅需
要控制
B
积分值的大小
,
还需要采用空间滤波器来保证各级放大器的
B
积分不会累加。在减小
B
积分值
的同时还必须控制系统中噪声的强度
,
例如提高材料的均匀性和元件加工精度
,
改善实验室环境等以降低噪
声。因此合理选取
B
积分值和系统允许的噪声强度
,
是高功率激光驱动器总体设计的关键点之一。
本文分析了非线性激光传输过程中噪声强度和小尺度自聚焦对光束质量的影响
,
给出了噪声强度、
B
积分
值和光束近场调制度之间的定量关系
,
特别指出了相位噪声应满足的频率分布。这些结果对抑制小尺度自聚
焦和相位噪声
,
优化系统性能
,
合理分配误差有重要意义。
[3,4]
[1
～
4]
1
光束质量和噪声模型
在高功率激光驱动器中
,
对光束质量的要求与普通激光不同
,
衡量光束质量的参数也不一样。通常的光束
2[6]
质量因子
(
M
因子
)
主要反映光束的衍射性质
,
而我们关心的是光束近场的均匀性
,
所以经常使用光束近场
的调制度或调制对比度。我们这里使用调制对比度
C
,
定义为
C
=
κ
(
I
-
I
avg
)
2
d
x
d
y
I
avg
S
2
(
1
)
式中
:
I
avg
是平均光强
;
S
是光束面积。对于完全均匀的光束有
C
=0
。具体假定含有噪声的光场分布为
E
(
x
,
y
)
=
E
0
[1+
a
(
x
,
y
)
],
其中
,
a
为噪声信号
,
a
ν
1
且κ
a
(
x
,
y
)
d
x
d
y
=0
。于是光强
I
(
x
,
y
)
≈
E
0
(
1+2
a
)
,
平均
光强
I
avg
=
E
0
,
对比度
C
则为
C
=
2
2
4
S
κ
|
a
(
x
,
y
)
|d
x
d
y
2
(
2
)
对
a
(
x
,
y
)
作空间的
Fourier
变换
,
得到
A
(
k
x
,
k
y
)
=
1
()()
π
ax
,
y
exp[i
k
x
x
+
k
y
y
]d
x
d
y
2
[7]
κ
(
3
)
根据
Fourier
变换的性质
(
Parseval
定律
)
,
我们得到频域中对比度的定义
Ξ
收稿日期
:2001
2
11
2
22;
修订日期
:2002
2
08
2
09
基金项目
:
教育部霍英东教育基金会
(
81058
)
资助课题
;
广东省自然科学基金团队项目
(
20003061
)
资助课题
;
国家
863
惯性约束聚变领域专
项经费部分资助课题。
作者简介
:
胡 巍
(
1970
2
)
,
男
,
博士
,
副教授
,
研究方向为强激光束、超短脉冲光束的传输与变换
,
非线性光学及光与物质相互作用物理
等
;E
2
mail:huwei@
。
© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
第
6
期 胡 巍等
:
高功率激光驱动器中小尺度自聚焦和噪声模型
2
807
C
=
4
S
κ
|
A
(
k
x
,
k
y
)
|d
k
x
d
k
y
2
(
4
)
(
2
)
式与
(
4
)
式的形式是一样的
,
但在后面的处理中发现频域的表达式更方便。
光束传输过程中的噪声可以分为两大类
,
即强度噪声和相位噪声。强度噪声主要来源于污迹、灰尘、损伤
等
,
对非线性折射率有直接的贡献
,
是小尺度自聚焦的直接诱因。相位噪声的来源更加广泛
,
如光学表面的起
伏、材料的密度起伏、空气扰动等
,
对非线性折射率没有直接的贡献
,
但可以通过传输过程转换为强度噪声
,
同
样是必须重视的。在本文中
,
我们将主要讨论空间相位噪声。注意到如果
a
=
u
+i
v
,
且
u
,
v
均为小量时
,
则
i
v
有近似关系
E
0
(
1+
u
+i
v
)
≈
E
0
(
1+
u
)
e
,
所以
a
的实部和虚部分别代表强度噪声和相位噪声。如果我们取
222
单一空间频率的噪声
a
=
u
cos
(
w
x
x
+
w
y
y
)
+i
v
sin
(
w
x
x
+
w
y
y
)
,
则
C
=2
(
u
+
v
)
。
2
小尺度自聚焦的线性化理论
分析高功率激光传输的出发点是非线性
Schr
ϕ
dinger
方程
(
NLSE
)
。激光场
E
=
E
(
x
,
y
,
z
)
exp[i
(
kz
-
ω
t
)
]
在非线性自聚焦介质中的传输满足
5
i
22
(
5
)
E
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