1 清华大学精密仪器系精密测试技术及仪器国家重点实验室，北京 100084
2 清华大学精密仪器系光子测控技术教育部重点实验室，北京 100084
3 北京控制工程研究所，北京 100190
散射介质会破坏光束的光波前分布和能量输送，限制了强散射环境下光镊、荧光成像、光通信等技术的应用。波前整形技术通过优化入射波前，重新规划散射介质内的光传输路径，实现了在散射介质内部或透过散射介质的光聚焦，从而克服了散射介质的限制，将散射光重新利用，使得散射介质成为一个类似透镜的光学元件，也被称为“浑浊透镜”。目前主要有依赖反馈调控的迭代优化方法、建立输入-输出联系的传输矩阵方法和利用光路可逆原理的相位共轭方法三类技术路线。本文从技术原理、应用背景以及重要进展等方面梳理了基于波前整形技术的散射介质聚焦的研究进展，并对比展望了三类技术在应用中的发展前景。
散射介质 波前整形 光聚焦 迭代优化 传输矩阵 光学相位共轭 光学学报
2024, 44(10): 1026013
与传统的仅能生成光轴方向的球形聚焦光斑不同，本文提出了一种在4Pi聚焦系统中通过反聚焦偶极子天线辐射场产生具有规定空间方向和间距的球形聚焦光斑的方法。该方法是将规定好长度和极化方向的空间偶极子天线置于4Pi聚集系统的焦点处，通过逆问题解析求解出生成球形聚焦光斑的物镜瞳孔面上的输入场。然后使用瞳孔面处的场，并选择合适的偶极子天线长度，就能获得球形聚焦光斑。数值结果表明，创建的球形聚焦光斑的空间方向与设置的偶极子天线的极化方向一致，球形聚焦光斑之间的距离也等于偶极子天线的长度。本文提出的方法比传统方法更灵活，可以创建具有规定空间位置的球形聚焦光斑，这对空间任意位置捕获纳米粒子具有很大的应用价值。
物理光学 球形聚焦光斑 偶极子天线 4Pi聚焦系统 光学学报
2024, 44(10): 1026033
Author Affiliations
Abstract
1 Applied Physics Division, Soreq NRC, Yavne, Israel
2 Applied Physics Institute, The Hebrew University, The Edmond J. Safra Campus - Givat Ram, Jerusalem, Israel
Here we report on a simple-to-implement and cost-effective approach for laser pulse contrast enhancement, based on the ${\chi}^{(3)}$ nonlinear self-focusing effect. An intentionally induced and gently controlled self-focusing in a thin glass transforms the time-dependent intensity into variation in beam divergence. Followed by a spatial discriminating filter, only the strongly focused fraction traverses the setup, at the expense of efficiency. A numerical model, accounting for the pulse and material parameters via a Gaussian ABCD matrix, provides an estimate for the instantaneous beam waist and transmission efficiency, which enables us to evaluate the resulting contrast enhancement. The estimated contrast enhancement spans between 0.5 and 2.5 orders of magnitude, in conjunction with approximately 25%–90% estimated efficiency, depending on the pulse parameters. In a preliminary experiment we demonstrated the effect with 10s-μJ sub GW regime with approximately 40 $\%$ efficiency and a contrast improvement of more than or equal to 20 dB.
nonlinear optics pulse contrast self-focusing ultrafast laser High Power Laser Science and Engineering
2024, 12(2): 02000e18
1 桂林电子科技大学电子工程与自动化学院，广西 桂林 541004
2 桂林电子科技大学信息与通信学院，广西 桂林 541004
短磁聚焦脉冲展宽分幅相机是一种具有长漂移区的二维超快诊断设备。通常采用轴上和离轴的点空间分辨率对其近轴空间分辨能力和工作面积进行评估，但由于像场弯曲会引起高斯像面的空间分辨不均匀，因此难以评价相机的整体空间分辨能力，所以研究一种能量化空间分辨能力的方法具有重要意义。为探讨新方法，采用COMSOL软件建立模型，基于场曲特性重建三维成像曲面，采用标准差分析成像曲面与高斯像面之间的偏离程度，通过融合点空间分辨率和整体调制度构建高斯像面空间分辨率，并运用相对误差量化高斯像面空间分辨均匀性。研究结果显示，在组合磁透镜的孔距为200 mm、漏磁缝隙为10 mm、轴向宽度为100 mm、漂移区长度为400 mm、成像半径为21 mm、阴极为-3.75 kV的情况下，随着成像磁场变化，成像曲面与高斯像面之间的偏离程度，以及高斯像面空间分辨率均呈开口向上的抛物线形状，并在成像磁场为41.97 Gs（1 Gs=10-4 T）时，两像面偏离程度标准差达到最小，为2.82 mm，高斯像面空间分辨率提升至最优，为292.80 μm，表征空间均匀性的调制度差值降低至最小，为330%。本文研究为评估短磁聚焦脉冲展宽分幅相机的最优空间分辨性能提供了一种可量化的参考方法。
超快诊断技术 脉冲展宽分幅相机 短磁聚焦 高斯像面 空间分辨能力 激光与光电子学进展
2024, 61(8): 0811010
1 南京邮电大学电子与光学工程学院、柔性电子(未来技术)学院，江苏 南京 210023
2 美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校电子与计算机工程学院，伊利诺伊 厄巴纳61801，美国
3 北京邮电大学电子工程学院，北京 100876
提出一种基于盲源分离（BSS）从多角度投影提取出任意深度聚焦层的数字乳腺层析合成摄影（DBT）重建算法。首先，通过DBT成像设备采集乳腺的多角度投影，并对投影进行校正、对数变换等预处理工作；然后以中心投影为基准，根据成像几何将多角度投影通过位移聚焦到所选的重建深度z处；最后，将位移后的多角度投影视为由一个聚焦层内信息和若干层外信息构成的线性组合，进而通过BSS将聚焦层信息分离出来，由此快速重建出乳腺厚度范围内任意深度z处的层面。以中心投影为参考，将位移叠加（SAA）法、滤波反投影（FBP）法、最大似然期望最大化（MLEM）3种当前DBT重建的主要算法与所提重建算法进行比较，4种算法对原投影的噪声污染的改善程度分别为13.4%、18.8%、88.5%、73.6%，图像对比度分别下降83.7%、81.4%、74.6%、10.7%，与中心投影的特征相似性分别为0.841、0.866、0.861、0.886，结构相似性分别为0.596、0.594、0.628、0.787，伪影扩散平均值分别为0.571、0.254、0.189、0.146。此外所提算法的重建速度小于SAA、FBP，但比采用2次迭代的MLEM高56.0%，因此所提算法在降低噪声、保持细节、抑制伪影、重建速度方面的综合性能优秀，且随着BSS技术和计算机硬件水平的快速发展而不断提高其分离重建性能，因此所提算法是一种实用性强、极具发展潜力的DBT重建算法。
X射线光学 数字乳腺层析合成摄影 盲源分离 伪影扩散函数 聚焦层重建
Author Affiliations
Abstract
1 Zhangjiang Laboratory, Shanghai, China
2 Chinese Academy of Sciences, Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics, Key Laboratory of Ultra-intense Laser Science and Technology, Shanghai, China
3 Shenzhen Technology University, College of Engineering Physics, Shenzhen, China
4 ShanghaiTech University, Shanghai, China
Compressing all the energy of a laser pulse into a spatiotemporal focal cube edged by the laser center wavelength will realize the highest intensity of an ultra-intense ultrashort laser, which is called the λ3 regime or the λ3 laser. Herein, we introduced a rotational hyperbolic mirror—an important rotational conic section mirror with two foci—that is used as a secondary focusing mirror after a rotational parabolic mirror to reduce the focal spot size from several wavelengths to a single wavelength by significantly increasing the focusing angular aperture. Compared with the rotational ellipsoidal mirror, the first focal spot with a high intensity, as well as some unwanted strong-field effects, is avoided. The optimal focusing condition of this method is presented and the enhanced tight focusing for a femtosecond petawatt laser and the λ3 laser is numerically simulated, which can enhance the focused intensities of ultra-intense ultrashort lasers for laser physics.
ultra-intense ultrashort lasers beam focusing focused intensity hyperbolic mirrors Advanced Photonics Nexus
2024, 3(3): 036002
1 中国科学院大学集成电路学院，北京 100049
2 中国科学院微电子研究所光电技术研发中心，北京 100094
3 北京积水潭医院，北京 100035
激光器谐振腔输出的光束呈高斯分布，需要通过光束整形来提高均匀性，以满足应用的需求。从光学系统的特性出发，总结归纳了当前主要的三种激光光束整形技术，包括光阑法、场映射器法和多孔径光束聚焦法，分别介绍了三种激光光束整形技术的基本原理、应用范围和主要实现方法，阐述了不同激光光束整形方法的典型应用和研究进展，最后，综合讨论了激光光束整形技术目前所面临的问题及未来的发展方向。本综述对激光光束整形技术的研究具有一定的参考意义。
光束整形 光阑 场映射器 多孔径光束聚焦 激光与光电子学进展
2024, 61(5): 0500005
电子科技大学电子科学与工程学院太赫兹中心，四川 成都 611731
碘化铯（CsI）光电阴极广泛应用于超快诊断中，光电子的空间分布、能量分布、时间分布等与条纹变像管的整体性能有着密切的关联。本文联合粒子仿真软件Geant4和三维电磁软件CST实现了对CsI光电阴极的光电子产生与控制过程的全动态模拟。采用Geant4软件对CsI光电阴极的光电转换过程进行建模，分析了二次电子出射能量、时间、位置、角度等发射特性；通过数据交互，统计了出射光电子的分布规律，然后将其应用于CST中建立阴极发射模型，并在CST中设计出一款弧矢、子午方向上放大倍率皆为2的各向异性聚焦条纹变像管。
X射线光学 Geant4 联合仿真 碘化铯 光电发射特性 各向异性聚焦条纹变像管
四川师范大学物理与电子工程学院，四川 成都 610068
采用数值模拟方法研究了大气非线性自聚焦效应对艾里光束上行大气传输特性和光束质量的影响，结果表明：大气自聚焦效应随着艾里光束指数截断因子的增大而增强，并会导致艾里光束的实际焦点向靶面移动。采用预散焦方法可使靶面上的光束始终保持艾里轮廓，同时可使靶面光强得到显著提高。本文得到了预散焦的焦距公式，并证实了其有效性。研究发现：预散焦后，即使光束功率远远超过了自聚焦临界功率，非均匀大气的自聚焦效应也不会破坏艾里光束的自加速特性，有助于地基激光束避开障碍物，清除空间碎片。在相同的功率下，艾里光束相比高斯光束在碎片靶面上有更高光强，并且艾里光束具有更强的抵抗自聚焦效应的能力。因此，艾里光束比高斯光束更适合地基激光对空间碎片的清除。
