基于体布拉格光栅的宽带角选择空间滤波研究

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激光光束控制是高功率激光研究的关键技术之一。在高功率激光装置中,灰尘、镜面上的加工瑕疵以及光学材料自身的不均匀都会在光束中引入振幅或相位调制,降低光束质量。空间滤波器是提高光束质量、实现光束控制的主要方法之一。传统针孔空间滤波器由于其聚焦原理会衍生出其他一些问题,包括等离子体堵孔效应、空气击穿等,因此要求针孔滤波器具有庞大的体积和较高的环境真空度等。记录在光热敏折射率玻璃中的体布拉格光栅由于其具有较高的衍射效率和优秀的布拉格选择特性而被广泛应用在近场角选择空间滤波领域。角选择空间滤波能够在非聚焦的光束近场实现高质量的空间滤波,提高光束强度分布的均匀性。角选择空间滤波器在实际激光装置中应用存在两个问题:一是角选择空间滤波器会使光束发生偏转,难以实现即插即用;二是受体布拉格光栅光谱选择性的制约,角选择空间滤波器难以实现对大带宽(数十纳米)光束的滤波。针对上述问题,本论文提出一种可实现即插即用的宽带角选择滤波方案,能够对带宽高至数十纳米的光束实现高质量的空间滤波,为宽带激光的光束近场质量控制提供了一个新的思路。本论文取得的主要研究结果如下:(1)分析了体布拉格光栅的衍射特性。研究了体布拉格光栅的角响应带宽与光谱响应带宽的关系,二者共同影响体布拉格光栅的衍射效率;提出同时增大体布拉格光栅的厚度和周期,可以在保证角响应带宽不变时获得更大的光谱响应带宽;分析了基于体布拉格光栅的角选择滤波适用范围,并指出对于一定范围内的任意波长都存在一个入射角度使得体布拉格栅的衍射效率最大。(2)首次提出了一种基于体布拉格光栅的宽带角选择空间滤波技术。利用面光栅的色散能力与体布拉格光栅的角度选择能力,在保证角响应带宽的同时将光谱响应带宽提高至数十纳米;基于矢量分析给出了光栅组合的匹配条件。研究结果表明,在可见光至近红外波段,各个波长成分均可被光栅组合高效衍射,实现良好的宽带角选择空间滤波。(3)研究了宽带光束经宽带角选择空间滤波器的衍射特性。采用傅里叶方法与耦合波理论,分析了宽带角选择空间滤波器对有限口径宽带光束的空间滤波效果。模拟结果表明,宽带角选择空间滤波器能够将光束中的中高频调制滤除,且理论设计时只需要考虑体布拉格光栅的角响应带宽。分析了面-体光栅失配对宽带角选择空间滤波器的输出特性的影响。研究结果对于宽带角选择空间滤波器的实际应用具有重要参考价值。(4)开展了宽带角选择空间滤波器的原理验证实验研究。结果表明:光栅组合的输出光束光谱带宽可达到65 nm,当面-体光栅周期失配量较小时可以通过旋转体布拉格光栅补偿输出光束带宽;在空域和频域分析了宽带角选择空间滤波器的滤波能力,目标光束中1mm-1以上的特征空间频率被完全滤除,提高了目标光束近场分布特性。本论文所取得的成果为宽带角选择空间滤波技术奠定了基础,为拓展体布拉格光栅在高功率激光领域的应用提供了一定的参考。
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