1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所光学系统先进制造重点实验室，吉林 长春 130033
2 中国科学院大学，北京 100049
为进一步研究高斯激光束在水下通信与信息探测中的应用和在不同海水环境中传输过程的特性，以海水中最常见的陆源悬浮泥沙粒子为例，将米氏（Mie）散射理论与蒙特卡罗（Monte Carlo）方法相结合建立含有悬浮物海水中波长为520 nm的高斯激光传输模型，研究了特定直径和密度的粒子群对激光传输的影响。分析了不同探测距离下高斯激光传输模型的归一化接收功率随激光初始发散角的变化。研究结果表明：1）通过改变米氏散射模型中的悬浮泥沙粒子的直径和密度，从而改变仿真中设置的消光系数、散射系数和不对称因子，探测靶面的接收功率随散射体直径、密度和传输距离增加呈指数级减小；2）在一定范围内，初始发散角的变化不会影响接收面的接收功率，并且这种范围随着散射系数以及传输距离的增大而减小。所提的研究方法为进一步实际分析含复杂颗粒群（悬浮气泡、浮游藻类、悬浮泥沙）海水中高斯激光传输特性变化奠定理论基础，可为相关的工程估算提供参考。
米氏散射 蒙特卡罗法 高斯激光水下传输 不对称因子 激光与光电子学进展
2024, 61(9): 0901001
1 北京理工大学 光电成像技术与系统教育部重点实验室，北京 100081
2 河北省保定市天河电子技术有限公司，河北 保定 071025
3 河北大学 电子信息工程学院，河北 保定 071000
针对警戒激光雷达近场信号过饱和与雨、雾等天气形成的近距离虚假信号造成“虚警”或“漏警”的问题，研究了一种基于重叠因子的同轴警戒激光雷达动态范围压缩方法。由经典激光雷达方程以及同轴遮挡和激光光斑能量分布的概率密度函数，建立了激光雷达方程修正模型；针对商用警戒激光雷达进行了响应曲线测试，并与基于激光雷达方程修正模型仿真的响应曲线进行对比分析，验证模型的有效性；仿真分析了发射透镜半径、光阑半径、激光发散角、接收透镜焦距四个参数对响应曲线的影响，结果表明：光阑半径是影响响应曲线的最主要因素，增大光阑半径可以显著压缩近场信号，进而压缩响应曲线的动态范围。论文建立的激光雷达方程修正模型对激光雷达初始设计具有重要指导意义及广泛的应用前景。
激光雷达 响应曲线 动态范围压缩 基模高斯激光 LiDAR response curve dynamic range compression fundamental mode Gaussian laser 红外与激光工程
2023, 52(10): 20230027
1 华北电力大学数理学院，北京 102206
2 华北电力大学核科学与工程学院，北京 102206
3 河北省物理学与能源技术重点实验室，河北 保定 071000
采用量子化的密度矩阵理论，对级联三能级原子束在具有不同径向阶次的柱对称拉盖尔-高斯（LG）型飞秒脉冲激光场中所受的光学势和光学偶极力（ODF）进行研究。结果表明：在飞秒脉冲激光场中，ODF的大小以两倍于激光载波频率的频率作周期性振荡；在n阶径向模式的LG型激光场作用下，径向偶极力具有2n个节线圆，在节线圆的两侧偶极力方向相反，因此原子将发生分束，从而被俘获到不同的光势阱内；在负/正激光场失谐条件下，形成n+1个光学势阱/垒数；在相同光场峰值强度下，随着光束径向阶次n的增大，主势阱/垒的深度保持不变，但主势阱/垒的空间范围变窄，光学势的径向梯度增加，从而使得ODF增大。因此，采用高阶LG光束可以将粒子束缚在更窄的光学势内，更有利于粒子的精准操控和俘获。
量子光学 光学偶极力 光学势 拉盖尔-高斯激光脉冲 级联三能级原子体系 密度矩阵方程 光学学报
2023, 43(19): 1927001
强激光与粒子束
2023, 35(5): 051003
1 南京邮电大学 贝尔英才学院, 南京 210023
2 南京邮电大学 理学院, 南京 210023
为了探究在圆偏振激光脉冲中电子初始位置对其运动轨迹和空间角辐射的影响, 根据非线性汤姆逊散射模型、能量方程以及拉格朗日方程推导出了高能电子的空间运动方程, 并与MATLAB数值模拟的方法相结合, 做出了高能电子空间运动轨迹图和空间角辐射模拟图。结果表明, 电子在涡旋横向力的作用下在全空间运动的前部轨迹呈紧密分离螺旋状, 而后部轨迹由空间间隔遥远的稀疏圆组成, 随着电子初始位置的右移, 空间角辐射达到最大值时, 极角θ和方位角的值有不断减小的趋势, 在z0=5λ0后趋于稳定, (θ,)=(23.5°,175.5°); 激光脉冲中电子初始位置的改变对电子的运动轨迹和空间角辐射有较大影响。该结果为后续研究电子初始位置对高能电子辐射特性的影响奠定了基础。
激光物理 非线性汤姆逊散射 数值模拟 圆偏振高斯激光 初始位置 电子运动 laser physics nonlinear Thomson scattering numerical simulation circular polarized Gaussian laser initial position electron motion
采用圆孔光阑和空间滤波-像传递系统相结合，实现了高效率的皮秒高斯光束到超高斯光束的整形。通过研究其中空间滤波-像传递系统中滤波针孔大小对整形效果的影响，获得了整形效率大于32%、200~500 mm传播距离内保持超高斯光束填充因子大于0.76传输的实验结果。随后对获得的超高斯光束进行放大，放大过程中通过利用侧面泵浦Nd:YAG晶体的热透镜代替放大光路中4F系统像传递系统中的透镜，简化了超高斯皮秒激光放大系统的结构，同时经过一级双通放大后,获得了近场填充因子0.72，单脉冲能量3.0 mJ，脉冲宽度11 ps，重复频率1 kHz，峰值功率密度8 GW/cm2的超高斯光束皮秒激光放大输出。
固体激光器 超高斯激光 光束整形 空间滤波像传递系统 功率放大 solid-state laser super-Gaussian laser beam shaping spatial filter-image relaying system power amplification 红外与激光工程
2019, 48(10): 1005012
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所安徽光子器件与材料省级实验室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
使用衍射光学元件将高斯激光光束整形为能量分布均匀的平顶激光光束,对比了两种激光诱导铜等离子体的特性,研究了光束整形对激光诱导击穿光谱稳定性的改善作用。研究结果表明:激光光束能量分布的均匀性引起了烧蚀坑形貌以及单次烧蚀量的差异,高斯激光和平顶激光诱导光谱的强度、等离子体温度和电子密度的相对标准偏差分别为12.33%和6.37%、2.10%和1.32%、5.31%和0.65%;光束整形后激光诱导击穿光谱的稳定性得到了明显改善,两种激光诱导产生的等离子体均呈局部热力学平衡状态。
光谱学 光束整形 激光诱导击穿光谱 高斯激光 平顶激光 光学衍射元件
中国工程物理研究院 激光聚变研究中心, 四川 绵阳 621900
在激光尾场加速中, 光学注入是一种有效的可控电子注入机制。然而, 低电量、大发散度的电子束特性无法满足实际应用的需要。为获得大电量、高品质电子束提出采用紧聚焦的超高斯激光作为注入脉冲的新型注入方案。研究发现, 相比于普通高斯激光, 紧聚焦的超高斯激光不仅能够将电子束发散度降低近一个数量级, 而且能够保持电子束电荷量不变。通过哈密顿理论模型证实, 离轴电子是发散度的主要来源, 而紧聚焦的超高斯激光极大地限制了离轴电子的注入, 因此有效地降低了电子束的发散度。
激光尾场加速 光学注入 电子束发散度 离轴电子 紧聚焦超高斯激光 laser wakefield accelerations optical injection emittance of electron beam off-axis injected electrons tightly focused super-Gaussian laser 强激光与粒子束
2018, 30(11): 111003
1 清华大学机械工程系摩擦学国家重点实验室, 北京 100084
2 清华大学机械工程系精密超精密制造装备及控制北京市重点实验室, 北京 100084
高斯光在远离束腰位置能得到直线度极高的干涉条纹,基于此提出了一种基于远场干涉的新型扫描干涉场曝光(SBIL)系统。建立了条纹相位非线性误差关于高斯光束腰半径、入射角度及束腰到基底距离的解析表达式。通过数值仿真,详细分析了条纹相位非线性误差与上述参数的关系。研究结果表明,该光学系统可以有效地将条纹相位非线性误差限制在纳米量级,并具有光路简洁、装调误差宽容度较高的优点。适当缩短束腰到基底的距离,可有效解决曝光光斑边界处条纹相位非线性误差恶化的问题。
衍射 扫描干涉场曝光 干涉条纹 高斯激光 空间滤波器 菲涅耳衍射
