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高功率激光非聚焦型空间低通滤波技术研究

作　者: 郑光威
导　师: 谭吉春
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 光学工程
关键词: 空间低通滤波 高功率激光 体光栅 多层介质膜 Rugate膜 角谱选择性 光谱选择性 非聚焦型滤波器
分类号: TN713
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


惯性约束聚变、激光加工以及激光武器等用途,不仅要求激光器输出功率水平高,而且要求光束质量好。空间低通滤波是控制、改善激光器光束质量的关键措施之一。按是否对光束聚焦,空间低通滤波器分为聚焦型和非聚焦型。针孔滤波器属于聚焦型,体光栅、薄膜等滤波器属于非聚焦型。前一类滤波器在技术上较为成熟,后一类滤波器正处于研发的初期阶段。根据高功率激光空间滤波的特殊需求,本文研究光路中无透镜的新型滤波器――基于体光栅、多层介质薄膜以及Rugate薄膜的空间低通滤波器。本文采用Kogelnik耦合波理论、严格耦合波理论以及传输矩阵理论等三种工具,研究周期、准周期光学结构实现非聚焦空间滤波的原理,实验验证用非聚焦型空间滤波器替代针孔滤波器的可行性。研究内容和主要结论如下:1.基于体光栅的空间低通滤波技术在理论方面,分析了准单色平面波在体光栅中的衍射、传输模型;深入分析了超短脉冲高斯光束在透射型与反射型体光栅中的衍射、传输规律,得出了高效率、无失真衍射的条件,并修正了体光栅对超短脉冲高斯光束的衍射效率计算公式。设计体光栅非聚焦型空间低通滤波装置,分析了透射型与反射型体光栅的角谱选择性及滤波器件的优缺点,指出:反射型体光栅较透射型体光栅的工作性能更稳定、滤波波长可调谐等优点。制备透射型体光栅（对632.8nm激光相对衍射效率约90%）,测量其衍射角谱带宽随光栅周期以及光栅厚度的变化,实验测量结果与修正后的Kogelnik耦合波理论的计算结果相一致。利用光热折变玻璃（Photo-Thermal Refractive Glass, PTR Glass）透射型体光栅,完成了对空域畸变高斯光束的空间低通滤波实验。用针孔滤波与体光栅滤波的对比实验结果,验证了非聚焦器件实现空间低通滤波的实验可行性。实验中,用空间频率分别为7.2 mm-1和3.0 mm-1、占空比为1:1的周期振幅片生成两种畸变He-Ne激光束,经体光栅滤波后,输出的含高频调制(7.2 mm-1)的衍射光束的空域光强分布与未畸变光束基本一致,而输出的含低频调制(3.0 mm-1)的衍射光束的空域光强分布与未畸变光束相差较大。理论分析和实验结果一致表明:体光栅的衍射旁瓣严重影响其空间低通滤波性能。普通体光栅的相对介电常数呈正弦分布,其角谱选择性虽然能达到100μrad量级,然而受限于衍射旁瓣,其低通滤波远达不到100μrad量级的效果。针对体光栅的上述局限性,本文提出了用非倾斜型反射型体光栅相移组合器件改善角谱选择性、用切趾非倾斜反射型体光栅和相移非倾斜反射型体光栅抑制衍射旁瓣,降低体光栅空间截止频率等创新技术。2.基于多层介质薄膜的空间低通滤波技术用传输矩阵理论研究多层介质薄膜的两种基本类型——高反射膜和带通滤光片的衍射特性,分析了这两种薄膜的衍射效率以及角谱选择性与光谱选择性带宽随薄膜参量的变化规律。计算结果表明:高反射膜具有多级反射旁瓣,且角谱选择性带宽较宽,而带通滤光片无透射旁瓣,且角谱选择性带宽较窄。因此带通滤光片具有较好的空间低通滤波性能。本文提出一种利用串联级联两片四腔带通滤光片的空间低通滤波装置设计方案,并分析其二维空间低通滤波的性能。3.基于Rugate薄膜的空间低通滤波技术用传输矩阵理论研究Rugate薄膜的三种类型——啁啾Rugate膜系、切趾Rugate膜系以及相移Rugate膜系的衍射特性,分析这三种Rugate薄膜的衍射效率,以及角谱选择性与光谱选择性带宽随薄膜参量的变化规律,得出了切趾和相移Rugate薄膜可有效抑制旁瓣,相移Rugate薄膜较切趾Rugate薄膜具有更窄的角谱选择性带宽等结论。分别利用切趾Rugate薄膜和相移Rugate薄膜,组成空间低通滤波装置,并分析了这两种装置的空间低通滤波效果。综述了制备折射率渐变膜系的共相沉积法和斜向沉积法。根据高功率激光系统对空间低通滤波的需求,对以上三种候选技术进行比较,得出如下结论:现阶段的全息工艺在记录介质中形成正弦周期性折射率分布,全息法制备的透射型体光栅的角谱选择性可以达到100μrad量级,然而受限于其衍射旁瓣及“散射”,这类体光栅的角谱选择性指标在现阶段不能满足高功率激光器空间低通滤波的需求。切趾和相移反射型体光栅能满足高功率激光系统空间低通滤波的指标要求（≤20～40倍衍射极限）。增大光热折变玻璃的折射率调制度,制备大通光口径切趾、相移体光栅,是使光热折变体光栅满足高功率激光空间低通滤波需求的必要条件。基于带通滤光片的空间低通滤波器具有100μrad量级的角谱选择性带宽,适合用于准单色光的空间低通滤波。Rugate薄膜的周期（准周期）性结构具有多样化的特点,利用切趾和相移等膜系,能提高滤波器的角谱选择性。相移型Rugate薄膜具有比带通滤光片更高的抗光损伤阈值、更小膜层应力,以及更好的抑制旁瓣的效果,适合用于大口径、高功率激光空间低通滤波。高功率激光器中,针孔滤波器焦平面处光强>>1012 W/cm2,容易诱发等离子体,产生等离子体堵孔等现象。针孔板的材料容易被激光烧蚀,作为硬边光阑,针孔容易形成低频衍射环。透镜与针孔的组合,起到了限制提升激光器输出功率水平的瓶颈作用。在空间低通滤波器中避免使用透镜,是克服针孔滤波技术上述缺点的有效措施。本文取得Rugate薄膜、多层介质薄膜和体光栅等三种新型空间低通滤波器的研究进展,是探索非聚焦型滤波器取代聚焦型滤波器的一次成功尝试。非聚焦型空间滤波器在超短脉冲滤波及热稳定性方面存在不足,在制备具有复杂函数分布的周期性光学结构的工艺方面存在困难,论文初步讨论了克服缺点、解决困难的技术措施。

全文目录


摘要  15-18
Abstract  18-22
第一章 绪论  22-30
  1.1 空间低通滤波技术在高功率激光系统中的应用  22-24
    1.1.1 高功率激光系统中的针孔滤波器  22-24
    1.1.2 聚焦型空间低通滤波技术的局限性  24
  1.2 研究非聚焦型空间低通滤波技术的意义  24-25
  1.3 研究内容与方法  25-26
  1.4 本文的内容安排  26-27
  参考文献  27-30
第二章 非聚焦型空间低通滤波技术概述  30-76
  2.1 非聚焦型空间低通滤波技术  30-36
    2.1.1 基本概念  30-32
    2.1.2 非聚焦型空间低通滤波的技术途径  32-33
    2.1.3 光学周期性结构及其在空间滤波器中的应用  33-36
  2.2 体光栅对单色平面波的衍射特性分析  36-53
    2.2.1 体光栅对单色平面波的复振幅分析  36-42
    2.2.2 体光栅衍射方向的定量表征  42-49
    2.2.3 体光栅的角谱与光谱选择性带宽分析  49-53
  2.3 体光栅对超短脉冲高斯光束的衍射特性分析  53-70
    2.3.1 透射型体光栅对超短脉冲高斯光束的衍射特性分析  54-62
    2.3.2 反射型体光栅对超短脉冲高斯光束的衍射特性分析  62-70
  2.4 本章小结  70-71
  参考文献  71-76
第三章 体光栅空间低通滤波技术  76-128
  3.1 体光栅的空间低通滤波原理  76-77
  3.2 体光栅空间低通滤波技术的国内外研究进展  77-78
    3.2.1 国外研究进展  77
    3.2.2 国内研究进展  77-78
  3.3 空间低通滤波器输入光束的描述  78-79
    3.3.1 激光光束质量的评价  78
    3.3.2 光强均匀度  78
    3.3.3 功率谱密度  78-79
  3.4 体光栅对准单色平面波的空间低通滤波器的设计  79-96
    3.4.1 透射型体光栅的空间低通滤波器的设计及性能分析  79-90
    3.4.2 反射型体光栅的空间低通滤波器的设计及性能分析  90-96
  3.5 体光栅角谱选择性的测量  96-99
    3.5.1 双光束干涉法制作体光栅  96-97
    3.5.2 透射型体光栅的角谱选择性随光栅参量的变化  97-99
  3.6 非聚焦型和聚焦型空间低通滤波性能的比较实验  99-114
    3.6.1 基于PTR 透射型体光栅的空间低通滤波实验  100-108
    3.6.2 针孔滤波实验  108-113
    3.6.3 体光栅空间低通滤波与针孔滤波的对比  113-114
  3.7 体光栅空间低通滤波器对高功率激光的适用性  114-120
    3.7.1 体光栅记录材料性能  114-115
    3.7.2 角谱选择性带宽  115-116
    3.7.3 稳定性  116-120
  3.8 透射型体光栅和反射型体光栅空间低通滤波器的性能比较  120-121
  3.9 本章小结  121-122
  参考文献  122-128
第四章 多层介质薄膜空间低通滤波技术  128-154
  4.1 多层介质薄膜的空间低通滤波原理  128-130
    4.1.1 多层介质薄膜的结构  128-129
    4.1.2 多层介质薄膜的滤波原理  129-130
  4.2 多层介质薄膜空间低通滤波技术的国内外研究进展  130-131
    4.2.1 国外研究进展  130-131
    4.2.2 国内研究进展  131
  4.3 多层介质薄膜的波矢选择性分析  131-139
    4.3.1 高反射膜的波矢选择性分析  132-134
    4.3.2 带通滤光片的波矢选择性分析  134-139
    4.3.3 多层介质薄膜应用于高功率空间滤波的可行性分析  139
  4.4 带通滤光片空间低通滤波器的设计  139-150
    4.4.1 带通滤光片的空间低通滤波特性  140-142
    4.4.2 空间低通滤波器中带通滤光片的参量选择  142-143
    4.4.3 带通滤光片的空间低通滤波效果分析  143-150
    4.4.4 带通滤光片空间低通滤波的优点与不足  150
    4.4.5 讨论  150
  4.5 本章小结  150-151
  参考文献  151-154
第五章 Rugate 薄膜空间低通滤波技术  154-181
  5.1 基于Rugate 薄膜的非聚焦型空间低通滤波原理  154-155
  5.2 Rugate 薄膜空间低通滤波技术的国内外研究进展  155-156
    5.2.1 国外研究进展  155
    5.2.2 国内研究进展  155-156
  5.3 Rugate 薄膜滤波器的设计方法  156-157
    5.3.1 Rugate 薄膜光谱滤波器的设计方法  156
    5.3.2 Rugate 薄膜空间低通滤波器的设计方法  156-157
  5.4 特殊结构Rugate 薄膜的波矢选择性分析  157-169
    5.4.1 啁啾Rugate 薄膜的波矢选择性  157-158
    5.4.2 切趾Rugate 薄膜的波矢选择性  158-164
    5.4.3 相移Rugate 薄膜的波矢选择性  164-169
  5.5 Rugate 薄膜空间低通滤波特性分析  169-174
    5.5.1 切趾Rugate 薄膜空间低通滤波特性分析  169-171
    5.5.2 相移Rugate 薄膜空间低通滤波性能分析  171-173
    5.5.3 相移Rugate 薄膜与切趾Rugate 薄膜空间低通滤波效果的比较  173-174
  5.6 薄膜空间低通滤波器对高功率激光的适用性  174
    5.6.1 材料性能  174
    5.6.2 角谱选择性带宽  174
    5.6.3 稳定性  174
  5.7 用于空间低通滤波的Rugate 薄膜的制备  174-176
    5.7.1 共相沉积法  175
    5.7.2 斜向沉积法  175-176
  5.8 本章小结  176-177
  参考文献  177-181
第六章 结束语  181-188
  6.1 论文的主要研究内容和结论  181-184
    6.1.1 基于体光栅的空间低通滤波技术  181-183
    6.1.2 基于多层介质薄膜的空间低通滤波技术  183
    6.1.3 基于Rugate 薄膜的空间低通滤波技术  183-184
  6.2 结论  184-185
  6.3 特色与创新点  185-186
    6.3.1 理论研究方面  185
    6.3.2 器件设计方面  185-186
    6.3.3 实验方面  186
  6.4 论文存在的不足  186-187
  参考文献  187-188
致谢  188-190
作者在学期间取得的学术成果  190-192
附录A 基于光子晶体的非聚焦型空间低通滤波原理  192-195
附录B 理论分析模型简介  195-205
附录C 文献[1]衍射效率计算公式勘误  205-207
附录D 非聚焦型空间低通滤波器透射型体光栅的制作说明  207-208

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 基本电子电路 > 滤波技术、滤波器
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