非线性光学作业2(5)

上图对相位共轭反射镜和透镜与普通反射镜进行了比较，当一平面波面通过畸变介质后被两镜反射，普通镜起着增加波面畸变的作用，而共轭镜对畸变的波面有补偿作用。这就是相位复共轭改善波形的原理，如下图所示：

图（a）所示，普通反射镜对光波的畸变起了增强的作用。

图（b）所示，光波通过相位共轭反射镜的作用，可以消除波面畸变。 图（c）所示，光波通过相位共轭同样可以消除畸变。

我们可以通过简并四波混频过程来实现后向位相共轭，在此过程中相位匹配条件将自动满足。 应用：

1、相位共轭谐振腔

所谓相位共轭谐振腔（PCR）, 是指普通光学谐振腔中, 一个（或两个）反射镜由相位共轭反射镜（PCM）代替形成的谐振腔。 由于这种代替, 使其呈现出良好的光学性能: 可以补偿腔内各种像差元器件（如增益介质的不均匀性、 有缺陷的光学元件等）引起的光束波前畸变, 输出高质量、 近衍射极限的光束; 相对普通谐振腔而言, 其纵模频率加倍, 使有效输出功率增大。

2、自适应光学

由于相位共轭波通过畸变介质后能够恢复到原来的波前状态, 所以可将相位共轭技术应用到自适应光学。 在这里, 以图所示的激光核聚变引爆过程来说明其基本原理。

激光器激光放大器聚焦系统目标RM?A? B??Ei????C D??E1ErPCME2l相位共轭谐振腔结构示意图

L(a)PCR激光放大器聚焦系统目标舵光源PCR激光放大器聚焦系统目标(b)

光学相位共轭技术在激光核聚变中的应用

光学相位共轭技术应用到激光大气通信中。 如图所示, 如果要将地面A站的信息通过人造地球卫星传送到地面B站, 可以首先由卫星向装有PCM的A站发射舵信号, 该光传播到A站时, 携带了大气的畸变信息。

人造卫星BA光学相位共轭技术用于激光大气通信

3、图像传递

相位共轭技术在图像传递中应用的一个典型例子是多模光纤中的图像传递。

4、无透镜成像

在微电子工业的照相制版中, 为了将复杂的电路图精确地投影到光刻胶上成像, 对光学元件的均匀性、 调整精度有严格的要求。 实际上要满足这种要求还十分困难。 如果采用相位共轭技术, 利用无透镜成像系统, 就可以解决这一问题。 下图就是无透镜成像系统的原理图。

照明光束掩模光致抗蚀剂f0(x, y, t)f1(x, y, t)f1?(x, y, t)f2?(x, y, t)z＝0z＝Lz＝Lz＝2L修正多模光纤图像传递失真的物理过程

无透镜成像原理图 PCM激光放大器分束器晶片11、如何使激光武器更有效地作用？

激光武器从问世以来就一直受到美国等发达国家的高度重视并投入巨额资金加以研制。不同于其它的常规武器, 激光武器能够以光速对目标进行攻击且具有极高的精确性, 同时激光的单色性好、相干性好、方向性强和能量密度高等优点使得激光武器还具有作战效能高、效费比高、抗干扰等优点。这种常规武器所无法比拟的优异性能将使未来的战场发生革命性的变化。现在激光武器主要应用于防御系统, 包括飞机和船只自卫、战术、战区和国家弹道导弹防御、反巡航导弹以及反卫星系统等各个方面。

要研究使激光武器更有效地作用的方法，首先需要了解激光武器的构成：

总体控制分系统 跟瞄发射系统 高能激光器分系统 光学平台与能源辅助分系统 如上图所示：激光武器系统由 4 个分系统组成: 高能激光器分系统、总体控制分系统、光束控制（跟瞄发射）分系统和光学平台与能源辅助分系统。 （一）高能激光器分系统：

由光学系统( 高稳定光学谐振腔, 储能放电腔)、机械结构(激光器壳体, 激光器减震装置, 高效冷却系统, 激光气体循环系统, 高稳定可控旋转开关, 配气系统, 激光器电源, 显示控制系统, 可控开关脉冲触发器)、电控系统 3 大部分组成。激光武器系统中最基础最重要的就是高能激光的选择，开发高效率、高能量、高稳定性、结构简单的高能激光器是重中之重。

目前的激光器选择主要有化学激光器、CO2气动激光器、自由电子激光器、X射线激光器和准分子激光器等等。

（1）化学激光器是利用工作物质本身发生化学反应所释放的能量夹激励工作物质,从而产生激光。其优点是:1比能量高，可达500~100J/g；2、光束质量较好；3不需外电源；4、可达到较高的输出功率；5、波长3.8um的DF激光的大

气传输性能好。化学激光器主要有氟化氘(DF)、氟化氢(HF)和氧碘(COIL)等。美国第一代军用高能激光器就采用了化学激光器。

（2）CO2气动激光器的主要优点是:1、无电源,废气无毒可直接排入大气；2、结构简单；3、输出功率较高。CO2气动激光器适用于陆基或车载式战术激光武器。但CO2气动激光器因能量转换效率低(一般为0.5-1%)、体积大、光束质量较差等原因、竞争力似乎不如化学激光器。

（3）自由电子激光的物理原理是利用通过周期性摆动磁场的高速电子束和光辐射场之间的相互作用，使电子的动能传递给光辐射而使其辐射强度增大。利用这一基本思想而设计的激光器称为自由电子激光器(简称FEL)。它可望成为一种高平均功率、高效率（理论极限达40%）、高分辨率的具有稳定功率和频率输出的激光器件，采用它能够避免某些工艺上的麻烦（如激光工作物质稀缺、有毒或腐蚀金属、玻璃），另外，它基本上不存在使用寿命问题，所以被美国的SDI计划定为战略反导激光武器的首选器件，重点发展。

（4）准分子激光器主要是0.24um的氟化氢激光器和0.35um的氟化氦激光器,波长处于紫外波段:这种激光器采用电子束或放电激励,其输出是脉冲激光。准分子激光器可通过拉曼转移技术，产生高质量的可见光束。预期准分子激光器的效率为10-20%，但实际要低得多，日前准分子激光器重点是反卫星。

下面重点介绍一种新型的激光器——高功率双包层光纤激光器，它是国际上新近发展的一种新型固体激光器件,它具有散热面积大、光束质量好、体积小巧等优点,同常规的体积庞大的气体激光器和固体激光器相比有显著优势,已成为激光在军事中应用的重要候选者。美国空军研究室已将它作为空载激光武器的重要技术方案。

光纤激光器同气体或常规固体激光器相比,因其具有结构简单、散热效果好、转换效率高、低阈值等优点而倍受青睐。但对于1μm 左右的波长而言,其典型的纤芯直径小于10μm ,该芯径远小于透镜聚焦后高斯光束的光斑直径。由于泵浦光是直接耦合进直径低于10μm 的纤芯,限制了泵浦光的入纤效率,导致光纤激光器的输出功率较低,限制了其应用范围。近年来,国际上发展的以双包层光纤为基础的包层泵浦技术,为提高光纤激光器的输出功率提供了解决途径,改变了光纤激光

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