含噪声调制的高能短脉冲激光传输效应分析方法研究

The optical system of high power short pulse laser is composed of multiple optical components. When input laser beam transmits in the system it will be modified by different spatial noise including superposition interference caused by stray light focusing and nonlinear self-focusing effects. In this project our research will focus on the intercoupling mechanics and description of main beam, noise beam and optical medium using the method of physical optics, geometrical optics, nonlinear optics and their combination. A novel analysis algorithm that adapts to real high power short pulse laser systems with multiple modulations and is convenient to calculation and output will be presented. Dynamic wave normal samples will be Hamiltonian traced to build the data structure of directed graph including all intermediate results using the time differencing method. According the spatial arrangement of multipass amplifier, the transmission effects of real non-paraxial laser pulse modified by multi-reflection and multi-order diffraction, dispersion, amplification, self-focusing and frequency mixing in optical systems with aberrations and manufacturing errors will be explored, then we will obtain the energy density distributions in the systems in given time and space, find the positions with concentrated energy and the energy source by back tracking. This will be advantageous to high power short pulse laser system design with thinking of stable operation so as to ensure the quality of output laser pulse.

高能短脉冲激光系统光路复杂，光束通过系统传播时会受到多种空间噪声的调制作用，包括由于杂光聚焦而叠加干涉，产生自聚焦等非线性效应。本项目采用物理光学、非线性光学与光线光学相结合的方法，研究系统中传播的主光束、噪声光及其与介质的相互作用机理和表示，研究适用于实际光学系统、便于计算和输出处理的具有多重调制的高能短脉冲激光传输效应的分析方法，通过动态波法线取样和哈密顿光线追迹创建能保存全部中间结果的按时间差分的有向图数据结构，根据多程放大系统的空间排布，研究实际非傍轴光束在有像差和加工误差的光学系统传输过程中受到的多次反射与衍射杂光的调制作用、色散、增益和自聚焦效应、不同频率激光在非线性介质中共存的混频效应等，获取系统中给定时间和空间范围内的功率密度分布，找到能量集中位置并通过回溯处理找到主要的能量来源，有利于系统在设计阶段考虑稳定运行采取相应的措施，为从源头上保证激光脉冲的质量提供依据。

本项目将光线光学引入激光光路仿真计算，结合物理光学、晶体光学、非线性光学的理论，研究主光束和噪声光的传播及其相遇时的相互作用，其中要解决的关键问题是基础的光路计算方法和数据处理，在采用合理的数据结构的基础上，在多程光学系统的建模、光线传播计算和保存等方面提出了并实现了新的计算方法，开发了仿真软件。可以仿真的表面除了常规表面以外，还包括Zernike相位面、扩展多项式非球面、简单公式或扩展多项式表示的非均匀介质、非线性介质等，提出了非线性自聚焦导致像质退化的补偿方法。在非线性介质的光路计算与仿真方面，利用光线追迹方法实现光路计算不引入近轴近似, 可以得到近轴区以外区域自聚焦及成丝(环)的情况，并实现了线性介质和非线性介质的混合建模和光线追迹；在噪声光分析方面，以光线的三维坐标和光程为依据建立了光能分布的时空四维网格，实现了主光路和噪声光的叠加计算，以及噪声光的来源回溯；快速实现了复杂光学系统基于元件的建模，已经建好的元件库可以方便地修改和反复利用；实现了聚焦光学系统装配公差的分析和优化；已经实现的光线传播计算和光束传播计算相比，在线性和非线性介质中都具有足够的精度，对激光系统中的特殊器件也形成了合理高效的处理方法，从而形成了能够分析高能短脉冲激光系统中能量分布及其来源的方法和手段，为从源头上保证激光脉冲的质量提供了依据，可直接用于高能激光系统的仿真和评价。. 本项目中实现的数据结构和计算方法不仅可以用于具有非线性自聚焦效应或复杂光路的激光光学系统，也可能用于其他类似的介质和光路，如流动介质或者离散非均匀介质的光路计算。. 激光短脉冲系统也属于光学系统的一种，本项目研制的软件可计算的各种光路，包括主光路和杂散辐射分析，以及像质评价指标、公差分析和优化等功能都可以应用于绝大多数光学系统的分析与仿真。