基于体布拉格光栅的角选择滤波与光束控制研究

论文摘要

论文围绕记录在光致热敏折射率玻璃中的透射型体布拉格光栅,提出并实现了角选择滤波器,在理论和实验上对角选择滤波器进行了深入研究。该技术不同于传统空间滤波器,可以直接在光束近场中实现高质量的空间滤波,克服了传统空间滤波器诸多固有缺陷,并且可以直接应用于高功率激光系统中,为下一代先进激光装置中空间滤波技术的发展提供了强有力的技术支持。主要研究成果和贡献主要包括以下几个方面：（1）首次提出并实现了用于实际激光系统的二维角选择滤波器,研究了激光束经过角选择滤波器输出的近场光束分布以及截止频率与体布拉格光栅角度选择之间的关系。研究结果表明：角选择滤波器可以有效地抑制光束中的中高频调制,提高光束近场质量。（2）建立了基于耦合波理论的体布拉格光栅设计体系。理论分析了光栅参数（周期、厚度、折射率调制度和光栅矢量倾斜角）对体布拉格光栅角度选择特性以及峰值衍射效率的影响。设计了峰值衍射效率大于99%,截止频率1mm-1的角选择滤波器。容差率分析结果表明光栅厚度和折射率调制度对体布拉格光栅的衍射特性影响较大,为实际的角选择滤波器设计制备提供了理论基础。（3）发展了透射型体布拉格光栅与传统空间滤波器结合组成的混合滤波器（Hybrid filter）以及不同光栅参数的体布拉格光栅串级构成的无旁瓣角选择滤波器（Non-sidelobes angular filter）。研究结果表明,无旁瓣角选择滤波器可将体布拉格光栅衍射旁瓣几乎完全抑制,并且获得更优秀的角选择特性。混合滤波器可大幅度降低传统空间滤波器的截止频率,同时具有一定的旁瓣抑制效果,对于先进激光装置的技术升级具有重要参考价值。（4）提出并建立了角选择滤波器性能表征方法。采用相对峰值衍射效率、零值全宽（Full Width at First Zero—FWFZ）对角选择滤波器进行性能评价；采用近场调制度、近场对比度以及功率谱密度函数（Power Spectral Density—PSD）对角选择滤波器滤波光束近场质量进行定量分析。详细阐述了各评价方法以及评判标准。（5）研究了基于体布拉格光栅的角选择滤波器的偏振特性。实验研究了不同偏振态的光束经过体布拉格光栅的峰值衍射效率、FWFZ的变化和衍射光偏振态的变化。研究结果表明：不同偏振态的入射光经过体布拉格光栅的峰值衍射效率和FWFZ几乎没有变化,即衍射光与入射光的偏振态保持一致。这对于高效率高可靠性角选择滤波器应用于先进激光装置具有重要的意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 先进激光装置的限制条件与解决方法
• 1.2 近场空间滤波技术
• 1.3 角选择滤波器
• 1.4 研究内容
• 2 耦合波理论及体布拉格光栅角选择特性研究
• 2.1 耦合波理论
• 2.2 透射型体布拉格光栅的设计
• 2.3 体布拉格光栅的角选择特性研究
• 2.5 本章小结
• 3 角选择滤波器的设计
• 3.1 角选择滤波器原理
• 3.2 二维角选择滤波器
• 3.3 混合滤波器
• 3.4 无旁瓣角选择滤波器
• 3.5 本章小结
• 4 角选择滤波器实验研究
• 4.1 入射光束近场质量优化
• 4.2 二维角选择滤波器
• 4.3 混合滤波器
• 4.4 无旁瓣角选择滤波器
• 4.5 本章小结
• 5 角选择滤波器性能表征
• 5.1 角选择滤波器性能
• 5.2 角选择滤波光束近场质量评价方法
• 5.3 角选择滤波近场光束质量结果分析
• 5.4 本章小结
• 6 角选择滤波器偏振特性实验研究
• 6.1 实验方案
• 6.2 实验结果
• 6.3 本章小结
• 7 全文总结
• 7.1 主要工作与结论
• 7.2 后续工作介绍
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读博士学位期间发表论文目录
• 附录2 攻读博士学位期间参加的科研项目