新型高效率、低截止频率角选择近场滤波研究

This project mainly focuses on the investigation of the near-filed angular filtering and beam control based on volume Bragg gratings (VBGs) through the combination and intersection of physics, laser technology, information science and other disciplines. The angular selectivity of VBGs is analyzed and the theoretical model of near-field angular filtering will be built with the coupled wave theory. The dependence of angular filtering with angular selectivity of VBGs,the grating thickness, refractive index modulation or other grating parameters will be discussed. The angular filtering experiments will be built, and used to studied the dependence of filtering efficiency, cutoff frequency, rate of low-frequency loss and other performances of near-field angular filtering with Bragg grating device parameters, such as angular selectivity, grating period, grating thickness and refractive index modulation, etc. The near-filed contrast ratio, power ratio in the bucket and power spectral density (PSD) will be used to evaluate the filtered beam quality and characteristics. Combined with the surface diffraction gratings and prisms, the "plug and play" operation mode for angular filtering will be simulated and experimental studied. Besides, angular filtering efficiency based on Bragg gratings with the polarization properties will be studied, and the output beam front distortion will be studied as well. This project will undoubtedly open a new field for micro-and nano-strctured optics, laser devices and laser technology, and it also has potential applications in the field of advanced laser science and technology, high-tech optical observations, etc. .

本项目通过物理学、材料科学与信息科学等学科的交叉与融合，开展基于体布拉格光栅的角选择近场滤波与光束控制研究。采用耦合波理论分析体布拉格光栅的角度选择特性，建立角选择近场滤波的理论模型，讨论角选择滤波与体布拉格光栅的光栅厚度、折射率调制度等参数的关系；开展角选择近场滤波实验研究，明晰近场滤波系统的输出效率、截止频率和低频损耗率等关键性能与布拉格光栅器件参数的关系，采用近场对比度、桶中功率比、功率谱密度等参数评价角选择滤波光束质量；结合面结构光栅与棱镜，开展近场滤波系统的"即插即用"理论模拟与实验研究；开展基于体布拉格光栅的角选择滤波效率与偏振依赖特性研究以及输出光束的波前特性研究。本课题无疑将开拓微纳光学、新型激光器件和激光技术交叉应用研究的一个新领域，不仅在微纳光学器件发展方面具有重要意义，而且在先进激光科学技术、光学观测等高新技术领域具有重要的实用价值。

本项目结合物理学、材料科学以及信息科学等学科，开展了基于透射型体布拉格光栅的光束近场控制技术研究。首先，结合耦合波理论和体布拉格光栅折射率与吸收系数的精确测量，建立了透射型体布拉格光栅的有损衍射模型，在该模型的基础上，开展了基于体布拉格光栅的结构参数设计技术研究，该技术可根据体光栅的衍射特性需求直观、快速、准确地得到最优化的结构参数；其次，对透射型体布拉格光栅滤波函数截止频率的定义开展了讨论，通过对不同B积分条件下的光场进行近场滤波模拟并且利用近场调制度评价不同截止频率定义情况下体布拉格光栅对光束B积分的抑制效果。首次在脉冲光条件下开展了基于透射型体布拉格光栅的二维近场滤波实验，结果表明体光栅可有效滤除光束中的中高频空间频率，改善光束质量；再次，利用两块不同角选择能力的体布拉格光栅级联，开展了新型“无旁瓣”角选择滤波器的滤波特性研究，理论模拟与实验结果均表明，该“无旁瓣”角选择滤波器可有效抑制滤波函数中的高阶衍射旁瓣，可进一步提高光束的近场与远场光束质量；结合传统空间滤波器和体布拉格光栅实现混合滤波，有效降低空间滤波截止频率限制，提高滤波性能；另外，结合耦合波理论与偏振光学，分析了透射型体布拉格光栅的偏振特性，从理论与实验上分别验证了入射光不同偏振条件下对光栅衍射效率以及布拉格选择特性的影响。结果表明，p偏振光与s偏振光在布拉格衍射特性上的差异主要由光栅周期决定，光栅周期越小，两者的差异越大；最后，基于耦合波理论和傅里叶光学，开展了基于透射型体布拉格光栅的波前优化技术研究，理论分析与实验相结合研究了体布拉格光栅角选择能力对光束中不同周期波前畸变的优化能力，结果表明：体布拉格光栅可有效抑制光束中的中高频波前畸变，高效地优化光束的波前分布，并且有效实现光束远场分布的匀化。以上研究结果为体布拉格光栅在光学探测、工业应用、高功率激光系统输出能力提升以及光束近场控制等方面提供了潜在的应用价值。