高能量飞秒漩涡光束的产生及其在空气中传输特性的研究

TW量级高斯TEM00模式飞秒脉冲光束在空气中传输时，在很短的传输范围内，会因为横向调制不稳定性而破坏光束对称性，并诱导等离子体呈多丝现象，这不利于飞秒激光的远距离传输应用。理论上证明高能量飞秒涡旋光束在大气中传输时，在自聚焦效应诱发等离子体之前，能够实现远距离传输而保持其光束质量不变，这一特性使得高能飞秒涡旋光束在空气遥感，远距离激光引雷等潜在的应用中更具有优势。本项目拟采用激光刻蚀CGH (Computer Generated Hologram )光栅衍射方法和基于CPA放大技术，产生百GW甚至TW量级的高能飞秒涡旋光束。因为涡旋光束特有的波前结构，在空气中传输的涡旋光束自聚焦将形成具有环状对称性的等离子体结构，我们将对涡旋光束在空气中诱导等离子体的性质进行研究，并尝试对涡旋光束的角方向调制不稳定性进行控制，以期达到控制涡旋光束诱导等离子体成丝的模式。

本项目主要研究了高能量飞秒Laguerre Gaussian光束(LG)的产生。我们选择了计算全息光栅方法（Computer-Generated-Hologram, CGH）产生LG涡旋光束. 首先，编写程序模拟涡旋光束与平面波的干涉图样，然后将干涉图样用不同方法制备成光栅。在实验室我们主要选择了两种方法制备CGH光栅，一种为激光烧蚀法，一种为光刻方法。激光烧蚀法制备光栅取决于激光聚焦光斑大小，因而光栅的刻线密度较低，而光刻方法很容易将光栅周期减小到微米量级。我们先后在石英玻璃基底上用光刻方法制备了振幅型和相位型CGH光栅，这在实验上首次实现了高精度的可用于高能量飞秒涡旋光束的CGH光栅。在成功制备出高精度CGH光栅后，我们进行了CGH光栅产生涡旋光束的效率研究，首先在理论上我们计算出振幅型和相位型CGH光栅分别为(1/π)^2和 (2/π)^2,也就是说，相位型CGH光栅可将涡旋光的转换效率提高到40%左右，实验上我们证实了这一理论结果。此外，在用CGH光栅产生涡旋光束的过程中，由于脉冲激光的波长带宽比较宽，不同波长的光会产生角色散，进而涡旋光束的模式会出现畸变。为了能够克服这种模式畸变，我们提出了一种全新的基于透镜成像系统的角色散补偿办法，这将极大的提高角色散模式畸变的补偿效率。