本發(fā)明屬于激光，具體涉及一種基于光束分布計(jì)算的赫里奧特氣體多通池調(diào)整方法及裝置。

背景技術(shù)：

1、赫里奧特氣體多通池能夠有效地增加光程，并且保證經(jīng)過(guò)多通池前后的激光光束質(zhì)量，因此被廣泛應(yīng)用于量子精密測(cè)量、原子分子物理、超快光學(xué)、光譜學(xué)、激光干涉系統(tǒng)等領(lǐng)域。赫里奧特氣體多通池具有兩個(gè)共軸放置的凹面反射鏡，向多通池中充入氣體。這樣對(duì)稱的多通池系統(tǒng)類似于諧振腔的結(jié)構(gòu)。然而，由于充入氣體之后，多通池內(nèi)并非真空，因此折射率出現(xiàn)了變化。如何精確的計(jì)算多通池中的光束分布，對(duì)于保護(hù)光學(xué)器件、在量子精密測(cè)量中提高測(cè)量精度、在超快光學(xué)中提高非線性效應(yīng)、在光譜學(xué)中提高光譜激發(fā)強(qiáng)度均具有重要的研究?jī)r(jià)值與實(shí)際意義。

2、2022年，christoph?m?heyl等報(bào)道了利用多通池進(jìn)行光譜展寬與脈沖壓縮的相關(guān)工作(christoph?m?heyl?et?al.high-energy?bow?tie?multi-pass?cells?fornonlinear?spectral?broadening?applications,journal?of?physics:photonics,vol.4,014002,2022)，其中，赫里奧特氣體多通池的光束參數(shù)計(jì)算使用傳統(tǒng)的諧振腔本征模式的計(jì)算公式，然而，相比于空氣介質(zhì)，充入氣體之后的折射率不同，利用諧振腔的計(jì)算公式來(lái)計(jì)算赫里奧特氣體多通池的光束分布會(huì)存在誤差。并且在許多研究工作的報(bào)導(dǎo)中，如(ruifengwang?et?al.double-enhanced?multipass?cell-based?wavelengthmodulation?spectroscopy?ch4?sensor?for?ecological?applications,opticsexpress,vol.31,no.2,pp3237,2023)和(christopher?r.webster?et?al.herriott?cellspot?imaging?increases?the?performance?oftunable?laser?spectrometers,vol.60,no.7,pp1958,2021)，可以觀察到，光束在赫里奧特氣體多通池中每一次的傳輸中，光束尺寸具有變化，光學(xué)器件上具有一個(gè)較小的聚焦光斑，若超過(guò)器件的損傷閾值，會(huì)對(duì)器件造成損傷，影響光束在赫里奧特氣體多通池中的穩(wěn)定傳輸。因此，對(duì)于赫里奧特氣體多通池，急需探索和發(fā)展一種精確的光束分布計(jì)算方法及提高光束傳輸穩(wěn)定性的優(yōu)化方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明旨在至少在一定程度上解決上述相關(guān)技術(shù)中的技術(shù)問(wèn)題之一。

2、為此，本發(fā)明的目的在于提供一種基于光束分布計(jì)算的赫里奧特氣體多通池調(diào)整方法及裝置，能夠快速、準(zhǔn)確地計(jì)算出赫里奧特氣體多通池的光束分布，并對(duì)赫里奧特氣體多通池中的光束傳輸?shù)姆€(wěn)定性進(jìn)行優(yōu)化。

3、為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的：

4、本發(fā)明實(shí)施例提供了一種基于光束分布計(jì)算的赫里奧特氣體多通池調(diào)整方法，所述赫里奧特氣體多通池包括兩個(gè)凹面反射鏡和充斥在相鄰兩個(gè)凹面反射鏡之間的氣體；所述計(jì)算方法的步驟包括：

5、s1、根據(jù)赫里奧特氣體多通池氣體折射率、傳輸步長(zhǎng)、凹面反射鏡曲率半徑、間距參數(shù)，計(jì)算出凹面反射鏡的傳輸矩陣與氣體中每一步長(zhǎng)的傳輸矩陣；

6、所述傳輸矩陣的表示方式為：

7、其中，a、b、c、d表示傳輸矩陣中的元素；該傳輸矩陣的行列式值為1；

8、s2、確定入射光束的q參數(shù)，根據(jù)步驟s1的傳輸步長(zhǎng)與傳輸矩陣，計(jì)算赫里奧特氣體多通池中各個(gè)位置的q參數(shù)；

9、s3、根據(jù)步驟s2計(jì)算的q參數(shù)，計(jì)算得到光束傳輸至赫里奧特氣體多通池內(nèi)任意位置處的光束尺寸與波前曲率半徑，迭代計(jì)算，得到光束在赫里奧特氣體多通池中的分布；

10、s4、重復(fù)步驟s2和s3的方法，計(jì)算不同參數(shù)的入射光束在赫里奧特氣體多通池中傳輸時(shí)的光束分布，根據(jù)計(jì)算結(jié)果優(yōu)化調(diào)整入射光束參數(shù)，獲得所需的入射光束以及其對(duì)應(yīng)的光場(chǎng)與光強(qiáng)。

11、另外，根據(jù)本發(fā)明的基于光束分布計(jì)算的赫里奧特氣體多通池調(diào)整方法，還可以具有如下附加的技術(shù)特征：

12、在其中的一些實(shí)施方式中，所述傳輸矩陣m由光束在凹面反射鏡中的一個(gè)或多個(gè)傳輸矩陣和光束在氣體中的傳輸矩陣相乘得到。

13、在其中的一些實(shí)施方式中，所述光束在凹面反射鏡內(nèi)的傳輸矩陣根據(jù)凹面反射鏡的曲率半徑得到。

14、在其中的一些實(shí)施方式中，所述光束在氣體中的傳輸矩陣根據(jù)光束在氣體中的傳輸距離和氣體的折射率確定。

15、在其中的一些實(shí)施方式中，所述光束在氣體中的傳輸距離根據(jù)相鄰兩個(gè)凹面反射鏡之間的距離和光束在空氣中傳輸?shù)牟綌?shù)確定。

16、在其中的一些實(shí)施方式中，經(jīng)過(guò)赫里奧特氣體多通池內(nèi)光學(xué)系統(tǒng)前的q參數(shù)記為q1，經(jīng)過(guò)赫里奧特氣體多通池內(nèi)光學(xué)系統(tǒng)后的q參數(shù)記為q2；q1和q2的關(guān)系為：

17、

18、在其中的一些實(shí)施方式中，光束在赫里奧特氣體多通池傳輸?shù)饺我馕恢锰幍墓馐霃礁鶕?jù)光束波長(zhǎng)、氣體折射率以及光束經(jīng)過(guò)赫里奧特氣體多通池內(nèi)光學(xué)系統(tǒng)后的q參數(shù)確定；

19、光束在赫里奧特氣體多通池傳輸?shù)饺我馕恢锰幍牟ㄇ扒拾霃礁鶕?jù)光束經(jīng)過(guò)赫里奧特氣體多通池內(nèi)光學(xué)系統(tǒng)后的q參數(shù)確定。

20、在其中的一些實(shí)施方式中，光束在赫里奧特氣體多通池傳輸?shù)饺我馕恢锰?，光束半徑和波前曲率半徑的?jì)算方式為：

21、

22、式中，ωnew為光束半徑，rnew為波前曲率半徑，na為氣體折射率，λ為光束波長(zhǎng)。

23、在其中的一些實(shí)施方式中，光束在凹面反射鏡中的傳輸矩陣為：

24、式中r為凹面反射鏡的曲率半徑；

25、光束在氣體中的傳輸矩陣為：

26、式中，dstep為光束在氣體中每一步傳輸?shù)木嚯x，其中，在氣體中的傳輸步數(shù)為da/dstep，da為兩個(gè)凹面反射鏡的間距，na為氣體折射率。

27、本發(fā)明實(shí)施例還提供了一種基于光束分布計(jì)算的赫里奧特氣體多通池調(diào)整裝置，包括存儲(chǔ)器和處理器，所述存儲(chǔ)器上存儲(chǔ)有程序，所述處理器運(yùn)行所述存儲(chǔ)器上的程序時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)如上任意一項(xiàng)所述的基于光束分布計(jì)算的赫里奧特氣體多通池調(diào)整方法的計(jì)算過(guò)程。

28、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的至少具有以下有益效果：

29、本發(fā)明實(shí)施例中，所提供的基于光束分布計(jì)算的赫里奧特氣體多通池調(diào)整方法，能夠快速、精確地計(jì)算出光束在赫里奧特氣體多通池的光束分布，使研究人員清晰認(rèn)識(shí)到光束在多通池內(nèi)任意位置的光束參數(shù)與狀態(tài)，能夠保護(hù)光學(xué)器件不被較小的聚焦光束損傷，在量子精密測(cè)量中提高測(cè)量精度、在超快光學(xué)中提高非線性效應(yīng)、在光譜學(xué)中提高光譜激發(fā)強(qiáng)度均具有重要的意義。

30、本發(fā)明的基于光束分布計(jì)算的赫里奧特氣體多通池調(diào)整裝置用于實(shí)現(xiàn)所述的基于光束分布計(jì)算的赫里奧特氣體多通池調(diào)整方法，因而至少具有所述的基于光束分布計(jì)算的赫里奧特氣體多通池調(diào)整方法的所有特征及優(yōu)勢(shì)，在此不再贅述。本發(fā)明的附加方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過(guò)本發(fā)明的實(shí)踐了解到。