脈沖整形的案例
衍射光學(xué)：超短激光脈沖如何影響光束整形光學(xué)
操作原理非常簡單：對于準直入射光束，輸出光束以預(yù)先設(shè)計的分離角度和強度出射DOE，通過光束整形器，激光束被聚焦成設(shè)計好的尺寸和形狀。 DOE的常見應(yīng)用包括醫(yī)療系統(tǒng)、測量以及科學(xué)/研究應(yīng)用——特別是DOE提供的激光束成形和均勻化技術(shù)對于材料加工至關(guān)重要1。
雖然DOE用途廣泛，功能強大，但由于功能強烈依賴于光波波長2 ，其具有很高的色散效應(yīng)。當使用USP激光器時，由于脈沖持續(xù)時間短，可能會產(chǎn)生異常的光譜特性，這一現(xiàn)象引起了人們的關(guān)注。由于工作波長不同于其標稱值，USP的寬光譜范圍會對使用DOE的光束整形產(chǎn)生影響，因此當使用一定范圍的波段而不是單個波長時，需要預(yù)測整形光斑將如何變化。
根據(jù)傅里葉理論，時域中的脈沖持續(xù)時間越短，頻域中的頻譜寬度越大。這導(dǎo)致USP激光器呈現(xiàn)時間色散效應(yīng)。對于中心波長為800nm的高斯脈沖，典型的脈沖展寬為Δλ= 1 nm，對應(yīng)于1000 fs脈沖，Δλ= 10 nm對應(yīng)于100 fs脈沖。
光束整形與分束
DOE產(chǎn)品有兩個主要系列：分束器和光束整形器。分束器是用于將單個激光束分成幾個具有不同能量水平和傳播角度光束的DOE。根據(jù)元件表面上的衍射圖案，分束器可以產(chǎn)生一維光束陣列（1×N）或二維光束矩陣（M×N）。光束分束器與單色光一起使用，并被設(shè)計用于特定的波長和輸出光束之間的分離角。
光束整形器是用于將近高斯入射激光束變換成在特定工作平面中具有明顯邊界的圓形、矩形、正方形、線或其它形狀的強度均勻光斑的DOE。通過光束整形器實現(xiàn)的均勻強度分布能夠均勻地處理表面，防止對工件的過度曝光或曝光不足。此外，光斑的特征在于存在一個鮮明的過渡區(qū)，使得在處理區(qū)域和未處理區(qū)域之間形成清晰的邊界。光束整形器包括均化器，平頂光束整形器，渦旋透鏡（螺旋相位板）和衍射錐透鏡。
展開 衍射光學(xué)：超短激光脈沖如何影響光束整形光學(xué)
當使用USP激光器時，由于脈沖持續(xù)時間短，可能會產(chǎn)生異常的光譜特性，這一現(xiàn)象引起了人們的關(guān)注。由于工作波長不同于其標稱值，USP的寬光譜范圍會對使用DOE的光束整形產(chǎn)生影響，因此當使用一定范圍的波段而不是單個波長時，需要預(yù)測整形光斑將如何變化。
根據(jù)傅里葉理論，時域中的脈沖持續(xù)時間越短，頻域中的頻譜寬度越大。這導(dǎo)致USP激光器呈現(xiàn)時間色散效應(yīng)。對于中心波長為800nm的高斯脈沖，典型的脈沖展寬為Δλ= 1 nm，對應(yīng)于1000 fs脈沖，Δλ= 10 nm對應(yīng)于100 fs脈沖。
光束整形與分束
DOE產(chǎn)品有兩個主要系列：分束器和光束整形器。分束器是用于將單個激光束分成幾個具有不同能量水平和傳播角度光束的DOE。根據(jù)元件表面上的衍射圖案，分束器可以產(chǎn)生一維光束陣列（1×N）或二維光束矩陣（M×N）。光束分束器與單色光一起使用，并被設(shè)計用于特定的波長和輸出光束之間的分離角。
光束整形器是用于將近高斯入射激光束變換成在特定工作平面中具有明顯邊界的圓形、矩形、正方形、線或其它形狀的強度均勻光斑的DOE。通過光束整形器實現(xiàn)的均勻強度分布能夠均勻地處理表面，防止對工件的過度曝光或曝光不足。此外，光斑的特征在于存在一個鮮明的過渡區(qū)，使得在處理區(qū)域和未處理區(qū)域之間形成清晰的邊界。光束整形器包括均化器，平頂光束整形器，渦旋透鏡（螺旋相位板）和衍射錐透鏡。
分束器和光束整形器可以與多模（MM）或單模（SM）輸入光束一起使用，并且由于其制造的材料的高損傷閾值，可以用于大功率激光系統(tǒng)，包括如熔融石英，硒化鋅（ZnSe）和藍寶石。
圖2. 基于簡單光線追跡原理（a）的衍射錐透鏡產(chǎn)生圓環(huán); 錐透鏡DOE的輸入脈沖是800 nm高斯脈沖或100 fs USP對錐透鏡出射的結(jié)果（b和c）影響不大。
展開 光譜相位 | RP 系列激光分析設(shè)計軟件
當脈沖的頻譜相位恒定或與頻率線性相關(guān)時，脈沖是無啁啾的，這意味著它處于變換極限。時域中的啁啾與頻譜相位的非線性頻率依賴性有關(guān)。色散脈沖壓縮器的基本任務(wù)是應(yīng)用頻譜相移，使得到的頻譜相位恒定(或僅隨頻率線性變化)。與平坦光譜相位的偏差比僅實現(xiàn)的脈沖持續(xù)時間更能衡量脈沖壓縮質(zhì)量。
光譜相位可用于理解光譜干擾現(xiàn)象。例如，考慮兩個具有相對時間延遲T的相同脈沖。頻譜相位的差異，在頻率上是線性的(見上文)，導(dǎo)致了頻譜調(diào)制。
修改光譜相位
有一些脈沖整形器可以用來改變脈沖的光譜相位。這種裝置包括例如用于在空間上分離不同頻率分量的第一衍射光柵、用于施加位置相關(guān)相移的液晶調(diào)制器以及用于重組頻率分量的第二衍射光柵。
通過適當?shù)卣{(diào)節(jié)所有的相位值，可以獲得變換受限的脈沖，即在給定的譜寬范圍內(nèi)獲得盡可能短的脈沖，或者形成具有復(fù)雜時間形狀的更長脈沖。這種能力的條件是可以處理全光學(xué)帶寬，并且光譜分辨率(與最大發(fā)生群時延有關(guān))足夠高。另一方面來說，不需要快速光調(diào)制器。
展開 衍射級次偏振態(tài)的研究
摘要
光柵結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于各種光學(xué)應(yīng)用場景，如光譜儀、近眼顯示系統(tǒng)、脈沖整形等。快速物理光學(xué)軟件VirtualLab Fusion通過使用傅里葉模態(tài)方法(FMM，也稱為RCWA)，為任意光柵結(jié)構(gòu)的嚴格分析提供了通用和方便的工具。為此，復(fù)雜的一維或二維周期結(jié)構(gòu)可以使用界面和調(diào)制介質(zhì)進行配置，這允許任何類型的光柵形貌進行自由的配置。在此用例中，詳細討論了衍射級次的偏振態(tài)的研究。
任務(wù)說明
簡要介紹衍射效率與偏振理論
某個衍射級次（??）的效率表示有多少的輻射功率被衍射到這個特定的級次中。它是由復(fù)數(shù)值瑞利系數(shù)計算出來的，瑞利系數(shù)包含了每個衍射級次（矢量）電磁場的全部信息。瑞利系數(shù)本身是由FMM對光柵的特征值問題進行嚴格分析的結(jié)果。
如果在TE/TM坐標系(CS)中給出瑞利系數(shù)，則可以計算衍射效率：
其中，n_in/n_out為覆蓋層和襯底層的折射率，?_in/?_out為所分析的階次的入射角和衍射角。此外，??表示輻射光的振幅。
如果瑞利系數(shù)沿??、??和??給出瑞利系數(shù)，則必須應(yīng)用以下方程：
因此，必須考慮所給出的瑞利系數(shù)的坐標系。默認情況下，光柵坐標系中為。
光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)
研究了一種矩形光柵結(jié)構(gòu)。
為了簡化設(shè)置，選擇光柵配置，只允許零階(R_0)反射傳播。
根據(jù)上述參數(shù)選擇以下光柵參數(shù)：
光柵周期：250 nm
填充因子：0.5
光柵高度：200 nm
材料n_1：熔融石英（來自目錄）
材料n_2：二氧化鈦（來自目錄）
偏振態(tài)分析
現(xiàn)在，用TE偏振光照射光柵，并應(yīng)用圓錐入射角（??）變量。
如前所述，瑞利系數(shù)的平方振幅將提供關(guān)于特定級次的偏振態(tài)的信息。
展開 
VirtualLab：衍射級次偏振態(tài)的研究
摘要
光柵結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于各種光學(xué)應(yīng)用場景，如光譜儀、近眼顯示系統(tǒng)、脈沖整形等。快速物理光學(xué)軟件VirtualLab Fusion通過使用傅里葉模態(tài)方法(FMM，也稱為RCWA)，為任意光柵結(jié)構(gòu)的嚴格分析提供了通用和方便的工具。為此，復(fù)雜的一維或二維周期結(jié)構(gòu)可以使用界面和調(diào)制介質(zhì)進行配置，這允許任何類型的光柵形貌進行自由的配置。在此用例中，詳細討論了衍射級次的偏振態(tài)的研究。
任務(wù)說明
簡要介紹衍射效率與偏振理論
某個衍射級次（??）的效率表示有多少的輻射功率被衍射到這個特定的級次中。它是由復(fù)數(shù)值瑞利系數(shù)計算出來的，瑞利系數(shù)包含了每個衍射級次（矢量）電磁場的全部信息。瑞利系數(shù)本身是由FMM對光柵的特征值問題進行嚴格分析的結(jié)果。
如果在TE/TM坐標系(CS)中給出瑞利系數(shù)，則可以計算衍射效率：
其中，n_in/n_out為覆蓋層和襯底層的折射率，?_in/?_out為所分析的階次的入射角和衍射角。此外，??表示輻射光的振幅。
如果瑞利系數(shù)沿??、??和??給出瑞利系數(shù)，則必須應(yīng)用以下方程：
因此，必須考慮所給出的瑞利系數(shù)的坐標系。默認情況下，光柵坐標系中為。
光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)
研究了一種矩形光柵結(jié)構(gòu)。
為了簡化設(shè)置，選擇光柵配置，只允許零階(R_0)反射傳播。
根據(jù)上述參數(shù)選擇以下光柵參數(shù)：
光柵周期：250 nm
填充因子：0.5
光柵高度：200 nm
材料n_1：熔融石英（來自目錄）
材料n_2：二氧化鈦（來自目錄）
偏振態(tài)分析
現(xiàn)在，用TE偏振光照射光柵，并應(yīng)用圓錐入射角（??）變量。
如前所述，瑞利系數(shù)的平方振幅將提供關(guān)于特定級次的偏振態(tài)的信息。
為了接收瑞利系數(shù)作為檢測器的結(jié)果，需要選擇光柵級次分析器件中的單個級次輸出，并選擇所需的系數(shù)。
展開 VirtualLab：衍射級次偏振態(tài)的研究
摘要
光柵結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于各種光學(xué)應(yīng)用場景，如光譜儀、近眼顯示系統(tǒng)、脈沖整形等。快速物理光學(xué)軟件VirtualLab Fusion通過使用傅里葉模態(tài)方法(FMM，也稱為RCWA)，為任意光柵結(jié)構(gòu)的嚴格分析提供了通用和方便的工具。為此，復(fù)雜的一維或二維周期結(jié)構(gòu)可以使用界面和調(diào)制介質(zhì)進行配置，這允許任何類型的光柵形貌進行自由的配置。在此用例中，詳細討論了衍射級次的偏振態(tài)的研究。
任務(wù)說明
簡要介紹衍射效率與偏振理論
某個衍射級次（??）的效率表示有多少的輻射功率被衍射到這個特定的級次中。它是由復(fù)數(shù)值瑞利系數(shù)計算出來的，瑞利系數(shù)包含了每個衍射級次（矢量）電磁場的全部信息。瑞利系數(shù)本身是由FMM對光柵的特征值問題進行嚴格分析的結(jié)果。
如果在TE/TM坐標系(CS)中給出瑞利系數(shù)，則可以計算衍射效率：
其中，n_in/n_out為覆蓋層和襯底層的折射率，?_in/?_out為所分析的階次的入射角和衍射角。此外，??表示輻射光的振幅。
如果瑞利系數(shù)沿??、??和??給出瑞利系數(shù)，則必須應(yīng)用以下方程：
因此，必須考慮所給出的瑞利系數(shù)的坐標系。默認情況下，光柵坐標系中為。
光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)
研究了一種矩形光柵結(jié)構(gòu)。
為了簡化設(shè)置，選擇光柵配置，只允許零階(R_0)反射傳播。
根據(jù)上述參數(shù)選擇以下光柵參數(shù)：
光柵周期：250 nm
填充因子：0.5
光柵高度：200 nm
材料n_1：熔融石英（來自目錄）
材料n_2：二氧化鈦（來自目錄）
偏振態(tài)分析
現(xiàn)在，用TE偏振光照射光柵，并應(yīng)用圓錐入射角（??）變量。
如前所述，瑞利系數(shù)的平方振幅將提供關(guān)于特定級次的偏振態(tài)的信息。
為了接收瑞利系數(shù)作為檢測器的結(jié)果，需要選擇光柵級次分析器件中的單個級次輸出，并選擇所需的系數(shù)。
展開 RP 系列激光分析設(shè)計軟件 | 主動鎖模
脈沖持續(xù)時間通常在 皮秒范圍內(nèi) 并且與調(diào)制器信號強度等參數(shù)有微弱的關(guān)系，這種微弱的依賴性源于：調(diào)制器的脈沖縮短效應(yīng)在較短的脈沖持續(xù)時間內(nèi)會迅速減弱，而其他延長脈沖的效應(yīng)（如調(diào)制器信號強度）則會在較短的脈沖持續(xù)時間內(nèi)迅速減弱，而延長脈沖的其他效應(yīng)（如增益收窄和色度色散）則變得更加有效。
圖3：用軟件模擬的主動鎖模激光器中脈沖持續(xù)時間（和其他脈沖參數(shù)）的演變RP脈沖在一個個案研究。注意，達到穩(wěn)定狀態(tài)需要多次往返，因為每次往返的脈沖整形效應(yīng)相當弱
開關(guān)式調(diào)制器的行為：
如果在實現(xiàn)鎖模后關(guān)閉光調(diào)制器，鎖模通常就會結(jié)束。但在某些情況下 如果被動鎖模機制也起作用，鎖模可能會繼續(xù)存在。這可能發(fā)生在各種情況下，涉及到一些光學(xué)非線性，例如克爾透鏡鎖模。
調(diào)頻鎖模：
不太明顯的是，主動鎖模也適用于光學(xué)相位的周期性調(diào)制（而不是振幅調(diào)制）。例如例如波克爾斯電池。這項技術(shù)被稱為調(diào)頻鎖模(FM =頻率調(diào)制)，不過相位調(diào)制鎖模一詞似乎更為恰當。它會產(chǎn)生一些啁啾脈沖。
一些調(diào)頻鎖模激光器表現(xiàn)出一種不穩(wěn)定性：它們在兩種工作模式之間表現(xiàn)出隨機跳變，即脈沖通過調(diào)制器的時間達到相位延遲的最小值或最大值。這種雙穩(wěn)態(tài)性有時會因色散和非線性效應(yīng)消除。
同步；再生反饋法：
為了穩(wěn)定運行，諧振器的往返時間必須與調(diào)制器信號的周期（或其整數(shù)倍）相當精確地匹配，以便循環(huán)脈沖能以最小的損耗通過調(diào)制器。即使激光諧振器和驅(qū)動信號之間存在很小的頻率匹配誤差，也會導(dǎo)致強烈的定時抖動，甚至出現(xiàn)混亂行為，因為在脈沖定時上獲得的 “拉力 ”非常弱。
為了長期的穩(wěn)定運行，僅靠仔細調(diào)整穩(wěn)定的激光裝置不足以實現(xiàn)調(diào)制器驅(qū)動器和激光器之間的同步是不夠的，因為會出現(xiàn)熱引起的往返時間和振蕩器頻率漂移等情況。
展開 RP Fiber Power 用戶界面
交互式脈沖顯示窗口
此外，交互式脈沖顯示窗口允許人們檢查超短脈沖傳播的細節(jié)。 只需選擇光纖位置（或者瀏覽以前保存的脈沖），然后即使在仿真完成之前，您也可以在時域和頻域顯示各種脈沖屬性。
借助這一非常方便的功能，您可以快速分析復(fù)雜的脈沖整形過程。
綜合文件
? RP Fiber Power提供了非常好的文檔，即使在進行復(fù)雜的建模時，您也可以快速啟動并高效工作：
o 有一個PDF格式的手冊，詳細解釋（超過170頁）物理模型的原理，用戶界面，腳本語言等。（第一印象，您可以下載RP Fiber Power有目錄的手冊開頭。）
? 上下文相關(guān)的在線幫助功能更加全面。 請參閱下面的屏幕截圖以獲得印象。
技術(shù)支持
任何剩余的問題都可以通過技術(shù)支持來解決。 我們確保您可能遇到的任何問題很快得到解決。
展開 使用多物理場仿真研究激光與材料的相互作用
因反復(fù)暴露在高峰值功率的激光脈沖中而損壞的光學(xué)器件的示例。左邊顯示的為損壞的光學(xué)表面，右邊顯示了相應(yīng)的修復(fù)部位。
小型激光器可以解決內(nèi)部光學(xué)器件的激光誘導(dǎo)損傷的潛在問題。LLNL 材料科學(xué)部的一個研究團隊在 Manyalibo Matthews 的帶領(lǐng)下，專注于研究修復(fù)這些光學(xué)器件的創(chuàng)新技術(shù)。在仿真的幫助下，他們正在探索紅外脈沖微整形、熱退火和激光化學(xué)氣相沉積（L-CVD）等方法。
多物理場仿真提供了一種解決方案
仿真研究的第一步是了解熔融石英在不同溫度下暴露在激光束下的行為。研究團隊利用 COMSOL Multiphysics 的內(nèi)置功能，同時模擬了多種物理現(xiàn)象，包括流體流動、傳熱、質(zhì)量傳遞、結(jié)構(gòu)力學(xué)和化學(xué)反應(yīng)等。
研究團隊首先模擬了熔融石英玻璃在 1300K（即玻璃的轉(zhuǎn)化溫度）以下的熱力學(xué)反應(yīng)，然后對更高溫度下的結(jié)構(gòu)松弛和黏性流動進行模擬。最后，他們探索了材料在 2200~3400K 溫度下的蒸發(fā)和再沉積。這有助于他們了解熔融石英玻璃的機械反應(yīng)以及其在極高溫度下的表現(xiàn)。
紅外微加工工藝
研究人員觀察到，在高溫下，玻璃的流動會引起干擾光學(xué)特性的波紋，如下圖所示。他們使用非常短的紅外激光脈沖來消除這些缺陷，留下一個光滑的表面。
借助 COMSOL Multiphysics，該團隊能夠了解各種參數(shù)下的能量耦合和熱量流動，例如對于激光脈沖的持續(xù)時間（微秒與幾分鐘相比），他們的模擬結(jié)果與實驗觀察結(jié)果一致。模擬結(jié)果還幫助研究團隊了解了激光照射區(qū)域的材料和溫度行為。這些知識可以應(yīng)用在涉及硅石表面拋光、退火和微整形的許多其他領(lǐng)域，如光學(xué)玻璃拋光，以及醫(yī)療和摩擦類應(yīng)用。
模擬結(jié)果顯示激光加熱玻璃的馬蘭戈尼流動。當激光加熱導(dǎo)致與溫度有關(guān)的表面張力的梯度時，馬蘭戈尼效應(yīng)就會發(fā)生，這會導(dǎo)致材料徑向向外流動，形成邊緣凸起的坑。
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