圖1.三維時(shí)空光場(chǎng)分布圖。(a)部分相干光;(b)空間不相干時(shí)間相干光;(c)空間相干時(shí)間不相干光;(d)時(shí)空相干光。TN表示橫模數(shù)量，LN表示縱模數(shù)量。

近期，中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所高功率激光物理聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室朱健強(qiáng)研究員團(tuán)隊(duì)，在多模激光器的模場(chǎng)三維時(shí)空演變研究中取得了新進(jìn)展。團(tuán)隊(duì)研究了激光橫模與縱模的時(shí)空耦合物理機(jī)制，構(gòu)建了多模激光器的三維時(shí)空多模式構(gòu)造模型，深入研究了時(shí)空多模的時(shí)空相互影響規(guī)律，實(shí)現(xiàn)了對(duì)光場(chǎng)傳輸過(guò)程中任意空間位置和時(shí)間切片上時(shí)空演變過(guò)程的定量描述。相關(guān)成果以“3D Spatiotemporal Evolution of the Mode Field in Multimode Lasers”為題發(fā)表于Laser & Photonics Reviews。

多模激光器在工業(yè)、醫(yī)學(xué)成像等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景，建立多模激光器完整的三維表征方法體系，實(shí)現(xiàn)其光場(chǎng)的全域解析，是推動(dòng)該領(lǐng)域發(fā)展的關(guān)鍵所在。

圖2. 不同時(shí)間積分二維光場(chǎng)分布的RMS變化曲線圖。(a)RMS隨時(shí)間積分的結(jié)果;(b) RMS隨歸一化相干時(shí)間的變化。

針對(duì)上訴問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)精確的三維模擬運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)了不同橫縱模數(shù)量下的三維時(shí)空光場(chǎng)分布圖，如圖1所示。研究表明，時(shí)空多模光場(chǎng)三維分布呈現(xiàn)顯著的時(shí)空散粒特征，時(shí)空散粒的體積特性由橫縱模數(shù)的協(xié)同作用共同決定，縱模數(shù)直接影響光場(chǎng)的時(shí)間相干長(zhǎng)度，橫模數(shù)決定了空間顆粒度大小;橫縱模的聯(lián)合作用共同決定了時(shí)空相干性，進(jìn)而影響三維時(shí)空分布中時(shí)空散粒的體積大小。橫模占比與空間相干性之間存在的明確關(guān)系，這為通過(guò)調(diào)控橫模分布實(shí)現(xiàn)空間相干性的精確控制提供了理論依據(jù);根據(jù)時(shí)間相干性對(duì)瞬時(shí)空間散斑光強(qiáng)分布的影響機(jī)制(如圖2所示)，當(dāng)時(shí)間延遲達(dá)到若干倍相干時(shí)間時(shí)，可獲得兩幅毫不關(guān)聯(lián)的瞬時(shí)空間散斑圖像，這一特性在干涉計(jì)量領(lǐng)域等具有重要的應(yīng)用價(jià)值;時(shí)間積分下二維光場(chǎng)分布的RMS變化速率與相干時(shí)間倍數(shù)直接相關(guān)，而橫模階數(shù)對(duì)其最終的RMS影響相對(duì)有限，這一發(fā)現(xiàn)深化了對(duì)散斑圖積分效應(yīng)本質(zhì)的理解，更為優(yōu)化成像源的時(shí)空特性和提升成像精度提供了更加全面和深入的理論指導(dǎo)。該項(xiàng)研究得到了中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)的支持。

審核編輯 黃宇