论文摘要
随着激光技术的不断发展和体光栅制作技术的不断提高,体光栅已被广泛应用到光信息处理、光波整形、光通信系统及高功率激光系统等领域,为促进体光栅技术的应用,从各个角度和方面对体光栅衍射特性进行研究已成为一个研究热点。本论文一方面运用修正的Kogelnik耦合波理论,分析了超短脉冲激光光束入射到反射型体全息光栅的衍射特性；另一方面对反射体布拉格光栅在高功率激光频谱合束中的应用进行了较为深入的研究。主要研究内容包括以下几个方面：(1)对Kogelnik单色波衍射效率公式进行修正,推导了超短脉冲光束入射到色散介质记录的反射体光栅后的衍射强度谱和衍射效率公式。并以LiNbO3晶体为例,分析了考虑和忽略色散情况下光栅衍射特性受光栅参数和入射脉宽的影响。研究结果表明当入射脉宽较小、光栅周期和光栅厚度较大时,材料色散对衍射光强和总衍射效率影响比较明显,并且色散会降低总衍射效率。(2)考虑材料色散情况下,采用修正的耦合波理论及傅里叶分析方法分析了超短脉冲光束入射到光折变LiNbO3晶体记录的反射型体光栅后,衍射和透射光波时域特性,并与透射型体光栅进行了对比。研究结果表明入射脉冲宽度给定时,增大光栅常数、光栅厚度或调制折射率可获得较高衍射效率。光栅参数和入射脉宽相同时,反射体光栅衍射强度大于透射体光栅。同时,研究发现透射和反射体光栅衍射脉冲中心在时间轴上均会产生一定偏移量,但两者偏移方向相反,而且偏移量的大小受入射脉宽和光栅参数控制。当光栅厚度或者调制折射率较大时,透射体光栅的衍射脉冲会出现单脉冲分裂为强度相等的双脉冲及三个脉冲的现象,这是透射体光栅特有的所谓“过调制效应”,在反射型体光栅中不存在。(3)通过求解修正的耦合波方程,推导了当入射超短脉冲光束的时域分布为任意形状时,经反射型体光栅衍射后的衍射和透射光束时域和频域光强表达式。并对三种不同的时域分布进行了数值分析。研究结果表明,体光栅的光谱带宽会随光栅周期的增大或光栅厚度的减小而增大,并且光栅参数对反射体光栅光谱带宽的影响要远远小于透射体光栅。而光栅参数和入射脉冲均会影响衍射带宽,当入射脉宽给定时,洛伦兹分布的超短脉冲衍射效率和衍射脉冲展宽程度最大,但在频域其衍射带宽最小。而且研究发现对反射体光栅而言,当入射脉冲宽度为ps时,衍射脉冲已经发生明显展宽；而飞秒脉冲入射时透射体光栅的衍射脉冲才能观察到明显展宽效应。(4)分析了不同偏振态的超短脉冲入射到光折变LiNbO3晶体记录的反射体光栅的衍射特性。研究表明,TE波入射时反射型体光栅的光谱带宽比TM波大。当入射脉冲偏振角由0增加到π/2时,衍射光束的谱宽和总衍射效率均会随之增大。(5)建立了单色波以及具有一定谱宽和发散角的光束入射到基于PTR玻璃反射体布拉格光栅的衍射效率数学模型。根据其谱选择性,建立了两路、三路和多路频谱组束物理模型并推导了其组束效率公式。数值分析了当入射光发散角为0.6mrad时,不同谱宽情况下两路和三路光谱合成的结果。研究表明,当组束光束的谱宽为0.1nm时,两路和三路光谱组束的效率分别为98.65%和97.57%；当谱宽为0.3nm时,对应的组束效率分别为92.16%和88.98%。多通道组束系统总的组束效率受衍射损耗影响较小,而受到透射损耗严重影响。