四柱透镜狭缝型空间滤波器光束传输特性研究

摘要

空间滤波器是大型激光装置中的重要器件之一，其功能之一是用于滤除光束中有害的中高空间频率成分。传统的针孔型空间滤波器将光束聚焦成超高强度的点状光斑，将会引发等离子体堵孔以及激光装置冗长等一系列问题，并对器件所需的真空环境提出了更高要求。美国劳伦斯?利弗莫尔国家实验室的A. C. Erlandson于2012年提出一种四柱透镜狭缝型空间滤波器，这种狭缝型空间滤波器可以将光束聚焦为线状，从而大大增加光束的焦斑面积，降低滤波器的焦面强度，缓解等离子体堵孔并降低激光系统的规模。但是，A. C. Erlandson并没有对狭缝型空间滤波器的主要功能进行详细的理论分析或实验论证。
　　本论文利用瑞利-索末菲衍射积分以及Matlab软件，对光束在四柱透镜狭缝型空间滤波器中的传输过程进行了理论分析和模拟研究，并得到了四柱透镜狭缝型空间滤波器的像传递模式。与传统的针孔型空间滤波器不同，四柱透镜狭缝型空间滤波器的系统前后焦面并不只与透镜焦距有关，还与柱面镜在x和y方向错开的距离相关。同时，以针孔型空间滤波器作为参考，本论文也对四柱透镜狭缝型空间滤波器的空间滤波功能进行了对比研究。狭缝型空间滤波器的空间滤波功能与针孔型空间滤波器的空间滤波功能一致。另外，相比传统的针孔型空间滤波器，使用四柱透镜狭缝型空间滤波器可以将大型激光装置中滤波器的焦面强度降低约3个数量级，从而大大降低滤波器规模。
　　在350mm×350mm光束口径和高功率激光条件下，运用B-T理论以及瑞利-索末菲衍射积分，分别研究了B积分为1.8rad、2.0rad、2.4rad时的小尺度自聚焦问题，并在此条件下对四柱透镜狭缝型空间滤波器与传统针孔型空间滤波器的滤波能力进行了对比。模拟结果表明两种滤波器均可以分别将光束的近场调制度和近场对比度分别降低到1.4和0.13以下。与传统针孔型空间滤波器相比，四柱透镜狭缝型空间滤波器的长度缩短了25％，同时狭缝内边缘处的辐照强度约为109W/cm2，比针孔滤波器中滤波光阑上的辐照强度降低了两个数量级，在高功率激光系统中具有潜在的应用前景。

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第一章 引言

1.1研究背景与研究意义

1.2空间滤波器

1.3 狭缝型空间滤波器

1.4 本论文主要工作

第二章 激光通过狭缝滤波器的理论研究

2.1瑞利-索末菲衍射积分

2.2 柱面镜对入射光波的相位变换作用

2.3激光通过四柱透镜狭缝型空间滤波器传输理论

2.4 本章小结

第三章 激光通过狭缝滤波器的传输特性分析

3.1四柱透镜狭缝型空间滤波器的像传递功能

3.2四柱透镜狭缝型空间滤波器的滤波功能

3.3四柱透镜狭缝滤波器在高功率激光器中的滤波功能

3.4本章小结

第四章 狭缝滤波器抑制小尺度自聚焦功能分析

4.1小尺度自聚焦模拟计算

4.2四柱透镜狭缝型空间滤波器抑制小尺度自聚焦功能

4.3本章小结

第五章 总结与展望

5.1 本文工作总结

5.2 今后工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间公开发表的论文

致谢