基于双端泵浦结构搭建了光纤激光振荡器,采用25/400 μm(纤芯直径为25 μm,包层直径为400 μm)大模场双包层掺镱光纤作为增益介质,采用波长为915 nm的半导体激光器作为泵浦源。通过光纤选型、合理配比前后向泵浦功率及模式控制,实现了对光纤受激拉曼效应及动态模式不稳定效应的抑制。该光纤激光振荡器在泵浦功率为7.5 kW下的最大输出功率达到5.08 kW,光光转换效率为68%,受激拉曼抑制比为37 dB,其时域特性稳定,没有出现动态模式不稳定现象。最大输出功率下,出射激光在X方向和Y方向的光束质量(M²)测量结果分别为2.483和2.514,远场光斑形态为环形,环状区域与中心区域的光强之比为1.6。在最大输出功率下该光纤激光振荡器连续工作1 h无异常,各部位光纤器件的温度均处于可接受范围。

针对高功率大遮拦比窄环薄管激光的环域像差校正需求,提出一种基于新型环形边缘驱动变形镜的环域像差校正方法。利用环形边缘驱动变形镜构建自适应光学闭环控制系统,以实现对高功率大遮拦比窄环薄管激光波前的校正。使用新型的环形边缘驱动变形镜来验证所提方法对单一环域低阶像差的校正能力,并分析其对大遮拦比薄管激光的校正效果。实验结果表明,所提的环域像差校正方法能够有效校正大遮拦比窄环薄管激光的波前畸变,显著提高光束质量。

长期以来, 空中平台与水下平台之间的有效通信一直是一个具有挑战性的课题, 因为声波或电磁波只能有效地仅在海水或空气中传播, 而无法同时在这两种介质中高效传输数据。相比电磁波, 激光束能够穿透相当深度的海水, 因而自由空间光通信被认为是一种很好的空潜通信替代手段。众所周知, 吸收和散射引起的衰减是水下激光传播主要不利因素之一, 然而这只能通过加大发射功率来补偿。尽管如此, 即使发射功率大到能够保证一定的接收机灵敏度, 大气和海洋湍流引起的光强起伏也会在很大程度上降低链路性能。本文重点研究水下载具与空中平台之间的自由空间光通信链路中的湍流效应, 利用波动光学仿真, 研究高斯光束和环形光束在空-潜两段链路中的传播, 并根据数值结果对上行链路和下行链路之间的性能差异进行了比较说明。总体来说, 由于湍流的主要部分离发射机更近, 上行链路更容易受到湍流的影响。此外, 研究中还发现环形光束往往能产生较小的闪烁指数和较高的信噪比。本项工作能够为未来的空潜光通信系统的研究和发展提供有益的参考。

为了改善非稳腔高能激光系统的光束质量, 提高发射光学系统口径的利用率, 采用新型的可用于光学非稳腔输出环形光束的光学整形方法, 通过在激光腔外的光路上增加光学元件对输出的环形激光束进行了整形变换。在理论分析的基础上, 设计并加工了基于双轴锥镜的光束整形装置, 针对非稳腔高能激光器输出的环形光束进行了整形实验, 取得了与理论分析一致的数据。结果表明, 采用双轴锥镜装置整形后的光束比原始光束具有更好的光束质量, 光束束腰直径由45mm减小为32mm, 光束质量因子M2由14减小到11.8。该方法用于光学非稳腔输出环形光束整形变换具有可行性。

由于很多实际应用中需要光斑环形分布, 因此太赫兹高斯光束整形环形光束的研究具有重要的理论和应用价值。文中利用GS算法设计相位板, 将太赫兹波段的高斯光束整形为环形光束。讨论了刻蚀台阶数量对该波段相位板整形结果的影响。对不同传输距离进行了仿真计算, 并在实验中将热释电相机PyrocamⅢ作为实验中的探测器对不同传输距离进行了实验。实验结果表明, 实验结果与仿真计算结果接近。

为满足高能激光环形光束在近场区和远场区的实际应用需求,从电磁波衍射积分方程出发,推导了环形光束光场分布和远场光强分布表达式,并对光场分布和光强分布进行了分析,得到光强分布与高斯光束的有限孔径大小、中心遮拦比和传输距离的关系.引入大气湍流场景,采用相位屏法对环形光束在不同湍流强度下的大气传输进行了数值模拟和分析,研究了受大气湍流影响远场光斑畸变、光斑破碎、光束扩展和漂移等的增强现象.最后开展了环形光束近场区大气传输数值模拟和实验,结果表明：随着传输距离的增加,光斑中心光强越来越强,光斑逐渐趋于均匀,平均光强呈类高斯分布,近场区环形光束扩散和光斑畸变现象受大气湍流影响而增强.

针对高能氟化氘激光器中窗口镜热效应明显，严重影响激光器性能的问题，利用有限元COMSOL Multiphysics软件对激光器窗口镜的热效应进行仿真分析，重点讨论了激光光强分布、窗口镜旋转、大气压差及后表面吹气对窗口镜温度和应力分布的一般规律。研究表明：光强均匀分布使窗口镜能承受更高的激光功率密度；窗口镜在一定速度下旋转时，最高温度有所降低，且温度分布明显被均匀化；大气压差的存在，使得后表面应力变大，前表面变小；后表面吹起气流越大，后表面的温度和应力越小，冷却效果越好，但对激光器输出光束质量影响越大，因此需综合考虑吹气速度和气体温度。

纯相位空间光调制器由于其高光能利用率和高衍射效率而得到广泛的应用，但在实际应用中，有时需要对光束的振幅和相位同时进行调制。为实现基于纯相位空间光调制器进行复振幅调制的目的，利用调制相位光栅的相位深度改变其在正一级方向的衍射效率，并通过数值反演计算出相位光栅的调制因子，进而构建可实现复振幅调制的纯相位传递函数。在理论分析的基础上，利用纯相位空间光调制器实现了贝塞尔振幅调制螺旋相位结构对平面波的夫琅禾费衍射并得到了环形光束，实验结果与理论值吻合，证明了基于纯相位空间光调制器复振幅调制方法的有效性。

提出一种用环形光束产生局域空心光的新方法，即用环形光束垂直入射锥透镜底面，沿光轴方向就会产生局域空心光。用几何光学分析模拟了环形光束产生的局域空心光的过程和传输方向上不同位置的截面光强分布，推导了局域空心光暗域的横向和径向大小的计算式，分析了影响局域空心光暗域的大小的因素，并给出相关的实验结果，实验与理论基本吻合。与双锥透镜、锥透镜透镜产生局域空心光相比，这种方法结构简单，元件容易加工，具有重要的应用价值。

本文提出了一种能够产生中空环形激光光束的新型圆筒形轴对称四镜折叠组合腔的设计方案。利用光学传输矩阵方法处理了光束在光谐振腔中的传播,得出腔的稳定性条件。由高斯光束在腔内的自再现条件,描述了腔内腔外光束传输特性,同时对近场和远场光束特性进行了数值计算和模拟。