针对等曲率光学积分器输出光斑的边缘辐照能量低而导致辐照面均匀性差的问题,基于衍射理论提出辐射能量微分、积分法,设计一种变曲率光学积分器。根据菲涅耳数来确定积分器通道的口径和数目,等距划分辐照分布曲线。根据积分器中各圈子眼透镜焦距的不同,对辐照分布曲线进行阶梯式叠加。基于衍射理论建立二维平面的变曲率光学积分器数学模型,推导工作面上的光强分布数学函数。利用Zemax软件对场镜组中各圈子眼透镜进行非球面优化设计以提高成像质量、消除旁瓣效应。采用LightTools软件仿真变曲率光学积分器与等曲率光学积分器,并对比分析它们的性能差异。结果表明,变曲率光学积分器能够使太阳模拟器输出光斑的边缘辐照能量明显提高,与等曲率光学积分器相比最高提升56%,Φ100 mm辐照面内的辐照不均匀度优于±0.5%,Φ200 mm辐照面内优于±1%。

为了研究宽带TEM22模厄米-高斯光束通过受光阑限制色散会聚透镜系统的微米焦开关现象, 采用数值计算方法对TEM22模厄米-高斯光束的光强分布进行了分析, 取得了传输轴上光强分布的数据。结果表明, 带宽变化引起轴上TEM22模厄米-高斯光束两个光强极大的相对大小改变, 结果导致光强主极大位置跃变; 当相对带宽γ=0.231且菲涅耳数Fw=100时, 光强主极大位置跃变距离为2.5μm, 出现微米焦开关现象; 带宽和菲涅耳数是影响光束微米焦开关的重要因素; 菲涅耳数较大时, 较窄的带宽就可以诱导微米焦开关, 反之则需要较宽的带宽。此研究结果有助于光通信技术中微纳光学器件的设计和制作。

为了提高传统球面镜腔3kW射频板条CO2激光器光束质量, 设计了新型抛物面镜负支非稳-波导混合腔; 结合标量光束的瑞利-索末菲衍射理论与特征向量法, 研究了大菲涅耳数下镜面类型对非稳波导混合腔光场传输特性的影响; 利用矩形波导理论、1维近似分析得出了波导传输损耗及偏振情况。结果表明, 将非稳方向输出镜和尾镜改为与光轴交点处曲率半径为R1=951.32mm和R2=1088.68mm的抛物镜面, 能够避免尾镜漏光, 可有效改善模式鉴别特性; 常用波导电极镀膜材料中, 镀铝电极内波导方向传输损耗最小, 传输光场为x偏振的EH1模。采用电极镀铝的抛物面非稳波导腔能够降低损耗、提升光束质量。

用特征向量法模拟较大菲涅耳数激光谐振腔时, 采用梯形积分法计算效率较低。为了解决这一问题, 通过理论分析谐振腔输出模式的空间带宽积, 确定计算传输矩阵时最少的取样点数。采用高斯积分法计算传输矩阵, 该方法在保证啁啾函数计算精度的同时使传输矩阵尺寸满足最少取样要求。通过对菲涅耳数为10的方形镜平凹谐振腔进行数值模拟可知, 传统方法的传输矩阵尺寸为10000×10000, 谐振腔特征模式的计算时间为412.47s, 本文中的计算方法需要的传输矩阵尺寸为3600×3600, 计算时间为51.34s。结果表明, 本文中的计算方法能大幅度提高特征向量法的计算效率, 同时减少计算机内存的消耗。

在非均匀湍流路径光束传输的研究中，设置合理的相位屏位置分布和数目尤为关键。在多层相位屏模型的基础上，建立了非均匀湍流路径下大气分层优化模型，结合两层相位屏的光束传输算例，在Hufnagel-Valley 5/7大气湍流廓线模型下，分别计算了相应的大气离散分层边界与相位屏的最优分布位置，并引入相应的最大Rytov判据。根据等菲涅耳数、等湍流效应和几何尺度缩比原则，计算了具体光束传输缩比实验参数，对比分析了光强起伏概率密度分布和相位结构函数的理论值与实验值。研究结果表明：不同天顶角下光强起伏概率密度分布实验拟合与理论曲线整体分布趋势一致，且呈现出对数正态分布的趋势；光强起伏的经验累积分布实验与理论曲线趋势保持一致，说明概率密度分布曲线拟合程度较好；而在所关注的低频区域，相位结构函数的实验曲线与理论曲线虽然存在一定的偏差，但其整体趋势仍然保持一致，且近似服从5/3幂律规律。

采用非稳腔结构的激光器，当系统的菲涅耳数较大时，球面腔镜尺寸随之增大，尽管可以获得高输出功率，但由于不满足傍轴条件，球面腔镜的球差对输出模式的影响变大。采用Fox-Li迭代算法，分析了腔镜类型不同时谐振腔有效菲涅耳数为675的2 kW 射频板条CO₂激光器的输出模式，并进行了实验研究。结果表明，当腔镜采用双球面镜时球差的影响显著，输出光束近似为球面波，输出平面上光束质量因子M² =14.48，光束质量差，聚焦后光束偏离光轴，难以实现高功率、高光束质量的激光输出；当腔镜均采用抛物面镜时球差的影响得以消除，输出光束近似为平面波，此时输出平面上光束质量得到改善，M² =3.96，实验结果与数值模拟结果一致。

高功率激光装置中通过测量光束强度分布来评价近场光束质量。然而测量结果为一稳态分布，并不能真实反映经噪声扰动后光束的强弱调制演变特性，可能会忽略传输过程中存在的调制较为严重的区域。针对此问题着重研究了光束经噪声扰动后的近场传输演化特性，进而对近场分布测量的局限性进行深化理解和补充。同时，为简化分析单因素局部缺陷影响下不同传播距离处的近场分布变化规律，引入等效菲涅耳数来表征近场强度调制特性。结果表明，当实测近场分布中存在较弱调制信息时，测量位置之前可能存在更为严重的调制区域。以调制为π的位相型缺陷为例，其最大调制相对于入射光强度可增大9倍。

The physical meaning and essence of Fresnel numbers are discussed, and two definitions of these numbers for offaxis optical systems are proposed. The universal Fresnel number is found to be N=(a2/λz)*C1+C2. The Rayleigh–Sommerfeld nonparaxial diffraction formula states that a simple analytical formula for the nonparaxial intensity distribution after a circular aperture can be obtained. Theoretical derivations and numerical calculations reveal that the first correction factor C1 is equal to cosθ and the second factor C2 is a function of the incident wavefront and the shape of the diffractive aperture. Finally, some diffraction phenomena in off-axis optical systems are explained by the off-axis Fresnel number.

The physical meaning and essence of Fresnel numbers are discussed, and two definitions of these numbers for offaxis optical systems are proposed. The universal Fresnel number is found to be N=(a2/λz)*C1+C2. The Rayleigh–Sommerfeld nonparaxial diffraction formula states that a simple analytical formula for the nonparaxial intensity distribution after a circular aperture can be obtained. Theoretical derivations and numerical calculations reveal that the first correction factor C1 is equal to cosθ and the second factor C2 is a function of the incident wavefront and the shape of the diffractive aperture. Finally, some diffraction phenomena in off-axis optical systems are explained by the off-axis Fresnel number.

在菲涅耳数的基础上重新定义了衍射特征量, 并将其定义扩展至聚焦或发散光路, 定义了一个光学系统中各光学元件衍射特征量的符号。通过全新的定义和扩展, 研究了波前畸变对近场调制度的影响以及正弦调频光谱色散平滑光束衍射传输引入的幅频调制的大小。以神光-Ⅲ主机主放大级为例, 研究了元件波前畸变对近场调制度的影响以及正弦调频光谱色散平滑光束衍射传输引入的幅频调制的大小。衍射特征量与能流分布F相结合, 可以作为评价高功率激光装置线性传输效应的一项受限指标, 指导高功率激光装置的设计。