超短脉冲光束的相关函数构建及其统计光学特性研究

Study of the propagation and control of ultrashort pulsed laser is a hot topic in strong field and ultrafast laser physics. In this project, with the use of the coherence theory of non-stationary light and the generalized diffraction theory, the correlation function construction and statistical optics properties of ultrashort pulsed beams are investigated. Taking in to account the temporally and spatially partial coherence of pulsed beams, we will construct correlation function of ultrashort pulsed light sources in time domain and time-space domain, and acquire the constraints that the pulsed light sources can generate beams. The evolution of properties of statistical optics of the beams genreated by constructed pulsed sources, such as coherence, polarization and intensity profile, etc. are studied. The correlation-induced polarization and intensity changes, and the influence of polarization on the intensity of ultrashort pulsed beams are presented. The effect of temporally and spatially partial coherence on the properties of statistical optics of the constructed pulsed beams is discussed. Some new phenomenon and new mechanism of ultrashort pulsed beams on propagation will be revealed. The results obtained will provide theoretical support for exploring the new applications of ultrashort pulsed laser in communication, imaging, diagnostics, material processing, etc.

超短脉冲激光的传输与控制研究是当今强场超快激光物理领域的热点。本项目拟采用非稳态光场的相干理论和广义衍射理论相结合的方法，研究超短脉冲光束的相关函数构建及其统计光学特性。考虑脉冲光束的部分时间相干性和部分空间相干性，构建时间域和时间-空间域超短脉冲光源的相关函数，获得实现光束传输的约束条件；研究这些脉冲光束在传输中的相干、偏振和强度波形等统计光学特性的演化，给出相干诱导超短脉冲光束偏振、强度波形的变化规律，偏振对超短脉冲光束强度波形的影响；探讨脉冲光源的时间相干性和空间相干性对脉冲光束统计光学特性的作用和影响，揭示超短脉冲光束在传输过程中出现的一些新现象、新机制，为探索超短脉冲激光技术在通讯、成像、诊断、材料加工等领域的新应用提供理论支持。

近年来，随着超短脉冲激光技术的快速发展，与超短脉冲光束有关的理论、实验和技术研究一直是国内外研究的一个热点，并取得了许多创新性成果。与此同时，超短脉冲光束的部分相干性也得到进一步关注。通常情况下，描述部分相干脉冲光束的数学物理模型是高斯谢尔模型，这种模型的相干度分布具有高斯分布，最近的研究表明，相干度具有非高斯分布的部分相干脉冲光束在传输中展示了一些新的特性。. 该项目研究了超短脉冲光束的相关函数构建及其统计光学特性，构建了几种具有非高斯相关分布的部分相干脉冲光源，研究了这些脉冲光源所产生的光束在传输中统计光学特性的演化规律。主要研究内容有：（1）时间域超短脉冲光束相关函数的构建: 构建了时间域多高斯相关、贝塞尔高斯相关、拉盖尔高斯、厄米高斯相关等脉冲光源的相关函数，获得了它们物理上实现光束传输的限制条件，研究提出了一种产生这些脉冲光源的方法。（2）时间域超短脉冲光束的统计光学特性: 研究了拉盖尔高斯相关和厄米高斯相关部分相干脉冲光源所产生光束经色散介质的传输特性，研究发现，两种光源在时间域和频率域都出现了自分裂现象，前者光谱分裂为多个单峰脉冲，而后者分裂为2个单峰脉冲。（3）时间−空间域超短脉冲光束相关函数的构建及其统计光学特性: 构建了多高斯空间相关−双曲余弦高斯时间相关、贝塞尔高斯空间相关−双曲余弦高斯时间相关、辛格高斯空间相关−辛格高斯时间相关等脉冲光源的相关函数，推导并获得了辛格高斯空间相关−辛格高斯时间相关部分相干脉冲光束在传输过程中的时空强度表达式，研究发现，该脉冲光束在传输过程中出现了时空自聚焦现象。（4）时间−空间域超短脉冲光束的时空耦合效应：研究了时间−空间域等衍射长度超短脉冲光束的时空耦合效应，给出了时空耦合对超短脉冲光束的强度波形的影响，发现了时空耦合情况下脉冲光束传输中的一些新现象。以上研究成果为探索超短脉冲激光技术在通讯、成像、诊断、材料加工等领域的新应用提供了理论支持。