腔内光场调控部分相干激光器的研究

Partially coherent beams are able to suppress speckle noise, improve image quality and reduce the scintillation of beams propagating in turbulence. Therefore, partially coherent beams are widely used in bio-medical imaging, free-space light propagation and particle manipulation. The manipulation of the spatial coherence of laser beam has attracted great interest. Usually, the control of coherence is done outside the laser resonator with not too compact optical system. However, the partially coherent lasers now available are not difficult to obtain nonuniformly correlated partially coherent beams, or laser beams with special phase distribution. In this project, we will study a partially coherent laser which uses a spatial light modulator as a cavity mirror and spatial-temporal modulates the light field inside the cavity. This laser will be able to generate partially coherent laser beam with variable coherence, nonuniformly correlation function or special phase distribution such as vortex beam and Airy beam. Because liquid crystal spatial light modulator is able to modulate laser beam dynamically and in real time, it should be able to generate laser output with coherence and phase distribution modulated independently. Hence, this project will provide a laser scheme which multi-dimensional modulation. The research of this project seems to have very important potential applications to bio-medical imaging, and particle trapping etc.

部分相干光具有抑制散斑，提高成像质量，降低闪烁等的特点，被广泛应用在生物医学成像、大气传输、粒子操控等领域。因而激光相干性的调控引起了广泛的研究兴趣。传统的激光相干性的调控大部分是在激光腔外进行，光学系统不够紧凑；而现有部分相干激光器或难以实现非均匀关联的部分相干光，或难以产生具有特定相位分布的激光。本项目拟以液晶空间光调制器为谐振腔镜，对腔内光场进行动态实时调控，从而实现相干度大小及空间关联结构可调的部分相干激光器，并实现部分相干涡旋光束、Airy光束的输出。液晶空间光调制器对光场动态实时且精细高效的调控，能够实现输出激光的相干性和相位分布的独立调制或混合调制，因此本项目提供了一种多元化可调控的激光器方案；另外，液晶空间光调制器通过电脑加载相位图对光场产生调控，因此操作简单，避免了制作相位掩膜和更换掩膜时需要重新调节光路的不便。本项目的研究结果在生物成像、粒子捕获等领域有重要应用价值。

构造光束如部分相干光、涡旋光束、矢量偏振光束、无衍射光束等，是国际上的研究热点。本项目以液晶空间光调制器作为激光器谐振腔的腔镜，构造双腔数字激光器，对腔内光场的两个偏振分量分别进行动态实时调控，实现对激光模式与偏振态的实时选择，并获得矢量光束输出；结合像散模式转换器，使用V型折叠数字激光器研究拓扑荷数大范围可调的涡旋激光；研究数字激光器对相干性的调控。. 在相干性调控方面，我们使用两个正交的液晶空间光调制器实现了相干性完全可控的随机电磁束，并进一步合成了相干性非均匀分布的随机电磁光束；研究了高斯型非均匀关联的部分相干光束在大气湍流中的传输特性；在实验上合成相干性随时间可控变化的部分相干光；产生非均匀关联的径向偏振部分相干光，基于相干性调控实现强度分布调控。. 在涡旋光方面，我们基于随机相位板研究了涡旋光束的受激布里渊散射特性；以及前述的基于V型折叠数字激光器研究拓扑荷数大范围可调的涡旋激光；研究了高功率拉盖尔-高斯光束和等离子体的相互作用，及其在等离子体重的动态演化特性。. 在矢量光束方面，研究了径向偏振光束在级联灯泵Nd:YAG功率放大器中的功率放大；基于时域有限差分法研究了高功率柱矢量光束与等离子体相互作用；以及前述的基于双腔数字激光器研究矢量光束的产生。. 在无衍射光束方面，研究了轴棱锥顶点离轴加工误差对贝塞尔光束的影响以及无衍射光束成像系统中图像信息的传输性质。.本项目的研究成果在光学成像、光学捕获、光束传输、激光加工以及光声信息处理等方面具有潜在的应用价值。 相关成果已发表论文15篇，获得一项实用新型专利授权，并在国内外学术会议上口头报告5次。