西北工业大学物理科学与技术学院，光场调控与信息感知工业和信息化部重点实验室，陕西省光信息技术重点实验室，陕西 西安 710129
贝塞尔光束以其独特的无衍射传输特性得到了广泛的关注，在光学操控、光学加工、信息传输、光学成像等领域具有巨大的应用前景。为了丰富光束的传输特性，通过不同手段对贝塞尔光束传输的调控成为了热点问题。研究者提出不同的理论和方法，通过对贝塞尔光束进行不同维度的调控，构造了沿任意轨迹传输、轴上强度和偏振可调的新型类贝塞尔光束。从贝塞尔光束的基本特性出发，总结了近年来贝塞尔光束传输调控相关的研究进展，包括贝塞尔光束的传输轨迹控制、轴向强度和偏振态控制、束宽控制等基本调控手段，并分析了其传输和调控机理。
光场调控 无衍射光束 贝塞尔光束 光传输 光学学报
2024, 44(10): 1026001
华中科技大学材料科学与工程学院，湖北 武汉 430074
激光增材制造可实现高性能金属复杂构件整体化成形，在航空航天、汽车、医疗等领域具有广阔应用前景。但是，高斯激光作用产生不均匀温度场、极高的温度梯度以及不稳定的流场，导致飞溅、球化、气孔、残余应力和裂纹等缺陷及各向异性的微观性能，影响了该技术更广泛的应用。光束矫形和场辅助原位调控激光增材制造过程是控制缺陷产生的有效方法。综述了国内外在光束矫形以及热、磁和超声多场调控金属激光增材制造领域的研究进展，重点揭示外场-激光-材料-组织-性能间的作用机理，并对多场调控金属激光增材制造未来发展进行了展望，可为金属激光增材制造的高性能调控提供有益参考。
激光技术 激光增材制造 光束矫形 磁场 热场 超声场 中国激光
2024, 51(10): 1002306
1 长春理工大学高功率半导体激光国家重点实验室，吉林 长春 130022
2 长春理工大学中山研究院，广东 中山 528437
3 深圳市杰普特光电股份有限公司，广东 深圳 518110
针对传统高功率光纤激光器焊接不稳定、飞溅量大、难以实现精密焊接的问题，设计了一种光斑可调的信号合束器，首次以50 μm/70 μm/600 μm/620 μm/660 μm大芯径环形双芯光纤作为输出光纤，基于光束非相干合成技术，通过RSoft软件对合束器进行了模拟仿真，分析了其模场变化情况，设计的合束器满足绝热拉锥以及亮度守恒两个原则，调控拉锥比（）使其可以实现中心和外环独立工作。采用套管法将7根25 μm/250 μm光纤耦合到一起形成熔锥光纤束，再将其与输出光纤进行熔接，制成了高功率大芯径环形光斑可调信号合束器。此光纤合束器的传输效率≥98%，中心光束质量因子（M2）仅为1.76，此时中心端口输出功率为3.036 kW。而后对合束器进行了耐环境测试，合束器在低温与高温下表现出的传输特性良好。将该光斑可调的环形光斑信号合束器应用到激光器中，通过调节中心和外环激光功率，可以在任何温度环境下实现超高速焊接，为激光复合焊接提供了一种新途径。
激光器 光纤合束器 熔锥光纤束（TFB） 传输效率 光束质量 环境可靠性
长春理工大学高功率半导体激光国家重点实验室，吉林 长春 130022
采用新型多环形腔结构优化垂直腔面发射激光器（VCSEL）的光场分布，解决了大孔径器件严重的载流子聚集效应导致的输出功率低、光束质量差的问题。研究结果表明：新型结构VCSEL较孔径相同的传统结构器件呈现更低的阈值电流，特别是输出功率较传统结构提高了近56%，且远场呈高斯分布。研究工作为实现高光束质量大功率垂直腔面发射激光器提供了新的技术途径。
激光器 垂直腔面发射激光器 高功率 光场分布 光束质量
1 成都信息工程大学 光电工程学院, 四川 成都 610225
2 电子科技大学 航空航天学院, 四川 成都 610054
在光场中引入一维燕尾突变函数，利用分步傅立叶方法研究了燕尾高斯（SG）光束在分数薛定谔方程（FSE）中的演化动力学，详细讨论了线性势、抛物线势、高斯势及无势的情况。在无势情况下，SG光束会因群延迟的变化而分裂成两个子光束，并且分裂轨迹会随着Lévy指数的增大出现弯曲。在线性势下，SG光束出现了周期性反转和聚焦行为，Lévy指数和线性势系数分别影响聚焦点峰值强度和反转及聚焦的演化周期，其反转和聚焦周期距离只受线性势影响而与Lévy指数无关。在抛物线势情况下，具有较大Lévy指数的SG光束的主瓣和旁瓣反转和聚焦从杂乱转变为周期性演化，其反转聚焦位置由抛物线势系数和Lévy指数共同决定。在高斯势中，光束的演化在势垒的约束下由于反射主瓣和旁瓣的干扰，窄势垒的周期性反转和聚焦出现杂乱混沌现象，而对于宽势垒，由于旁瓣减弱，周期性演化变得清晰。本文研究结果为利用高阶燕尾光波场实现光调制器和光开关提供了可能。
燕尾高斯光束 分数薛定谔方程 Lévy指数 Swallowtail-Gaussian beam Fractional Schrödinger equation Lévy index
中国船舶集团有限公司第七一八研究所, 河北 邯郸 056027
针对高能激光器出光过程中出现的大量离焦和0°像散低阶像差现象，提出了基于哈特曼波前传感器和二维整形光路的XY离焦像差校正方法。首先，通过对Zernike多项式的离焦项和0°像散项进行线性组合得到XY离焦像差的表达式，该XY离焦像差系数的大小可直接表征X离焦和Y离焦的波前PV值。同时，通过微调高能激光器中二维整形光路中的镜子间距，可实现激光器输出光束XY离焦波面的补偿。因此，首先利用哈特曼波前传感器提取出光束的XY离焦像差系数大小，而后再根据XY离焦像差系数的大小实时闭环微调二维整形光路中的镜子间距，从而实现XY离焦像差的校正，改善输出光束的光束质量。实验结果表明，该方法可有效地将高能激光器输出光束XY离焦量的PV值由5.2 μm和1.1 μm校正到0.5 μm以下，相应的光束质量β因子由3.1降到1.8，光束质量得到明显改善。
高能激光 光束质量 像差校正 光束整形 矩阵光学 high energy laser beam quality aberration correction beam shaping matrix optics
1 江苏科技大学 理学院, 江苏 镇江 212000
2 浙江省光电探测材料及器件重点实验室, 浙江 宁波 315211
3 宁波大学 高等技术研究院, 浙江 宁波 315211
相较于单涡旋光束，涡旋阵列光束能够扩充信息的传输容量，研究其传输特性对其光通信应用具有重要意义。本文选取阶数为n的螺旋因斯-高斯(HIGn,n)模式，采用海上大气折射率变换的功率谱，模拟海面大气湍流。基于相位屏法研究了一维阵列涡旋光束在海面大气湍流中光强、相位、闪烁因子和质心漂移的变化情况。结果表明：（1）HIGn,n模式的闪烁因子和质心漂移标准差随湍流强度以及大气湍流内尺度的增加而增加；（2）n为奇数的HIGn,n模式的闪烁因子随着阶数的增大而减小，且高于n为偶数的HIGn,n模式；（3）阶数n>1的HIGn,n模式比LG0,1模式具有更好的稳定性；（4）阶数越高，HIGn,n模式的质心漂移标准差越小。其次，选取线性阵列涡旋光束（LAVBs）进行对比，研究得出虽然LAVBs比HIG光束具有更好的传输性能，但由于HIG光束具有独特的结构，故可适用于不同的应用场景。最后，分析了椭圆参量和椭圆环数对HIG模式传输的影响，结果表明适当地增大椭圆参量或椭圆环数有助于提高HIG模式的抗湍流能力。本文研究结果对涡旋光束的海上应用具有指导意义。
大气光学 螺旋因斯高斯模式 阵列涡旋光束 闪烁因子 湍流 atmospheric optics helical ince-gaussian mode array vortex beam scintillation index turbulence
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
2 中航凯迈(上海)红外科技有限公司, 上海 201306
3 中国人民解放军32031部队, 河南 开封 475000
为了实现可见光波段多路不同波长激光的周期性闭环校正，设计了一种具有光束指向和位置偏差独立监测与调节的激光合束系统。首先，根据系统的应用需求，提出了合束系统的设计指标与整体合束方案。然后，在合束方案的基础上，建立了合束系统的光束控制模型，并通过数值仿真得到了合束系统光束控制的解算方法。闭环合束系统通过光束指向和位置监测装置分别实现合束激光指向偏差与位置偏差的独立监测，并根据监测结果进行光束调节装置控制量的解算；进而通过两维摆镜和一维平移台分别实现光束指向和位置偏差的独立高效调节。最后，采用两路不同波长的激光束，配合光束监测与调节装置，搭建了闭环合束模拟实验平台，对周期性闭环合束系统的合束效果进行了验证。实验结果表明：在长时间的工作过程中，两路激光均实现了与基准光路的精密合束，合束指向精度优于±7 μrad，位置精度优于±0.84 mm。本研究所组建的激光合束系统不仅具有合束精度高、校正速度快、光路扩展性强的优势，而且可实现激光束的周期性闭环校正，能够有效保证合束激光的长期工作稳定性。
激光合束 光束监测 光束控制 指向偏差 位置偏差 laser beam combining beam monitoring beam control beam direction deviation beam positional deviation
1 中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光物理联合实验室，上海 201800
2 中国科学院大学材料与光电研究中心，北京 100049
针对具有圆对称结构特征的光束，提出了一种基于高阶准离散汉克尔变换的光束整形算法。与传统Gerchberg-Saxton算法相比，相同条件下，该算法能够在较少的迭代次数内实现快速收敛，并大幅节省计算时间（约100倍），利用该算法设计的衍射光学元件呈圆对称分布，结构简单、更易于加工；此外，设计实验对目标光束整形，验证了该算法的可行性，实验结果光强分布较好，为衍射光学元件的设计和加工提供了重要的指导意义。
物理光学 汉克尔变换 光束整形算法 Gerchberg-Saxton算法 衍射光学元件
1 运城学院物理与电子工程系，山西 运城 044000
2 山西省光电信息科学与技术实验室，山西 运城 044000
基于梯度折射率介质，分析了洛默尔高斯光束的强度包络和传输特性，给出了洛默尔高斯光束的强度表达式。高斯腰斑取值越小，洛默尔高斯光束的非零区域越小即高斯光束的截断作用越明显；半锥角取值越大，光束的空间尺度越小；拓扑荷数取值越大，光束中心的暗斑尺寸越大。非对称参数可以改变洛默尔高斯光束的空间形态和对称特性，随着非对称参数幅值的增加，光强分布逐渐由圆对称改变为轴对称的双月结构，随着非对称参数幅角的增大，双月结构的对称轴呈现顺时针旋转的特性。洛默尔高斯光束在梯度折射率介质中传输时，在一个传输周期内，光束的相对强度分布没有变化，只是光束尺度发生周期性聚焦变化，而在自由空间中，光束会很快演化为两个光斑。这些结果对研究洛默尔高斯光束的实际应用具有一定参考价值。
物理光学 光场调控 洛默尔高斯光束 梯度折射率介质 激光与光电子学进展
2024, 61(9): 0926001
