自聚焦激光束光束质量评价的功率谱密度方法

第52期第1期2003年1月1000 3290 2003 52(01) 0087 04

物 理 学 报

ACTAPHYSICASINICA

Vol.52,No.1,January,2003

2003Chin.Phys.Soc.

自聚焦激光束光束质量评价的功率谱密度方法

彭志涛 景 峰 刘兰琴 朱启华 陈 波 张 昆刘 华 张清泉 程晓峰 蒋东镔 刘红婕 彭翰生

(中国工程物理研究院激光聚变研究中心,绵阳919信箱988分箱621900)

(2000年11月16日收到;2002年4月25日收到修改稿)

*

把功率谱密度分析的方法引入到激光束光束质量的评价中,分析了自聚焦激光束的近场分布,研究了强激光非线性自聚焦的一般规律,给出了在一定强度调制下的光束经过钕玻璃介质发生自聚焦成丝效应的B积分阈值条件,实验和理论模拟结果基本一致.

关键词:功率谱密度,非线性自聚焦,钕玻璃介质PACC:4265

出光强细节变化,为此我们发展了光强PSD的方法

1 引言

来反映光强的频谱分布,分析光束质量的变化.

在高功率激光系统中,介质的非线性折射率引起的小尺度自聚焦效应将会带来对光束相位和强度分布的影响,增加光学元件遭受成丝破坏的风险

[1,2]

2 基本理论

功率谱密度(PSD)的分析方法最早被引入对元件表面粗糙度的量度.1975年至1979年,Stover,Church和Elson的研究工作奠定了光学元件表面频谱分析的基础,他们从理论上确定了光学元件表面起伏与角散射之间的关系;Janeczho于1989年提出采用表面功率谱密度标准来评价光学元件的表面粗糙度.

光强PSD定义为光强各频率分量Fourier振幅的归一值,光强的一维PSD表示为

PSD(k)=,(1)#L

式中L为光束口径,I(k)为光强各频率分量Fourier振幅

I(k)=

2

[9]

.产生光束小尺度纹波调制的机制分为两类:

振幅和位相调制.振幅调制引起的光束自聚焦是造成介质损伤的主要因素.根据小信号的Bespalov Tal anov理论,只有特定空间频率(或称为模式)的调制具有最快的增长速度,其增长幅度可以用B积分参数来描述.目前,有关光束的自聚焦成丝已经引起了激光器研制人员的重视.美国LLNL实验室已开展了这方面的研究工作.随着我国新一代高功率激光器的研制,光束自聚焦成丝破坏也将是面临的一个重要问题,目前极需这方面的研究数据.从1999年开始,我们在 星光 !强激光器上进行了一

[5]

系列的实验研究.国内有对增益介质中的小尺度自聚焦效应的理论研究.

光束质量的好坏,直接影响着系统的总体效率.好的光束质量,光学元件自聚焦成丝损坏对应的B积分较小,因此,控制光束的近场调制度,可以在损伤风险相同的条件下,提高大口径光学元件的平均工作通量,减小系统造价.光束的强度分布可以用对比度来表征,但用对比度来标征光束质量反映不

*

[3]

[4]

[6,7]

I(x)exp(-ikx)dx

L

(2)

表示归一化光强随频率的分布.I(x)是一维方向的光强值.

PSD有利于对方光束进行Fourier频谱分析.利用Fourier变换,可以定量的给出光强的空间频谱分布,从而确定各频率段对光强的影响.根据小尺度自聚焦BT理论,只有特定空间频率(中高频)的调制

[8]

中国工程物理研究院行业科学技术预先研究基金(批准号:1999Z0201)和国家高技术惯性约束聚变领域项目(批准号:863 416 5 2)资助的

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物 理 学 报52卷

具有最快的增长速度,采用光强的PSD正好可以确定各频率段光强的分布,标征光束质量.

另一方面,根据PSD的实质,可以将PSD与光束的粗糙度(RMS)联系起来,根据Parsevel定理,PSD与RMS的关系为

RMS= k

2

3 实验结果分析

实验是在 星光 !强激光器上进行的.波长为1 053 m,脉宽670ps的激光经过 20mm的软边光阑,再经过缩束比为1 8的空间滤波器,然后入射到硅酸盐介质棒n0312端面上,用透镜把介质两端面的光成像到CCD的光敏元件上,介质端面和CCD的光敏元件上的光强分布满足严格的像传递关系.入射到介质端面上的激光能量和从另一端面出射的能量用卡计测量.用条纹相机测量激光脉宽.激光的平均强度基本上不随传播距离变化.用512&512像素的科学CCD记录介质棒两个端面的激光时间积分场,CCD的分辨率为24 m,CCD上测到的光束口径为 7mm.硅酸盐玻璃n0312的线性折射率n0=1 52,非线性折射率n2=1 57&10

-13

%

k

PSD(k).(3)

由于通常难以测到较为精确的绝对光强值,CCD记录的也只是光强的相对值.光束质量的好坏指光强分布的均匀程度,即相对分布.因此,在处理数据时,我们采用平均光强归一化后的相对光强.同时在计算RMS时,对CCD场图进行了减本底处理.

一般来说,要获得光场的PSD,就需要将光场不同轮廓线的PSD估计值做总体平均.由单个轮廓线计算的PSD没有意义,因为曲线图是非常噪杂且不可重复的.为了从光场轮廓线数据获得总体平均的PSD,有两点必须加以考虑.由光场的不同位置就可以得到大量轮廓线,每条轮廓线计算出一维PSD估计值,将结果总体平均就可获得一个光滑的、白噪声的曲线.

光滑未经上面那样处理的单个轮廓线的PSD估计值.当轮廓线长度代表的光场空间频率低于所需PSD的空间频率时,也就是说,当所考虑光场特征的相干长度小于总的轮廓线长度的相干长度时,可以将光场细分为许多小区域,对每一区域用CCD分别摄像,PSD的估计值由每个小区域计算并做总体平均.当然,当用此方法时,原来光 …… 此处隐藏：4155字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……