虚共焦非稳腔腔内失调因素分析及实验研究

在腔内失调理论分析基础上，采用Hartmann?蛳Shack波前传感器实验研究了无源正支共焦非稳腔失调后输出光束像差特性，结果表明，腔内倾斜像差对光束强度分布有显著的影响，但小的腔内倾斜扰动不会使输出光束的相位分布中的高阶像差发生变化。当腔镜垂轴移动偏离光轴时，可能引起某些Zernike高阶像差，如彗差和像散的增大，但首先带来的是Zernike倾斜像差，类似于引入腔内倾斜扰动时的结果。因此在做腔内像差自适应校正时，应首先考虑腔内倾斜像差的校正。该方法为腔内像差特性的研究和像差校正提供了一定参考。     

腔镜倾斜扰动对正支共焦腔输出光束模式的影响

针对激光器出光过程中腔内像差扰动带来的光束质量下降问题,分析了正支共焦腔腔镜倾斜扰动对调腔光模式的影响,采用等效透镜波导法计算了凹、凸腔镜倾斜失调状态下的调腔光模式分布、泽尼克(Zernike)像差系数。同时采用哈特曼-夏克(Hartmann-Shack)波前传感器方法对此进行了实验定量研究,用模式法进行了波前重构。得到了扰动量与泽尼克像差的定量关系。结果表明,凹镜倾斜扰动对腔模的影响大于凸镜,对于大菲涅耳数非稳腔,腔内倾斜扰动量与腔外泽尼克倾斜系数具有良好的线性关系,若对凹、凸腔镜分别施加等量倾斜扰动,带来的腔外泽尼克倾斜系数比率约为光腔放大倍率。且腔模倾斜像差增加的同时还将导致离焦、像散等高阶像差的增大,因此作腔内相位补偿或校正时,应使补偿或校正平面尽可能靠近凹面镜;最后对实际激光束与He-Ne调腔光束的异同作了简要比较。     

基于H-S波前传感器的正支共焦腔准直技术研究

采用H-S波前传感器对非稳腔进行了实验调腔技术研究,指出了正支共焦腔调腔的原则,以输出光束近场强度和相位分布这一双重依据作为谐振腔是否调好的标准.进行非稳腔调腔时,首先应当保证整个光路共光轴使输出强度分布均匀,但此时光束中可能还包含离焦等高阶像差,因此在腔外用Hartmann-Shack波前传感器进行光束相位测量,得到了35阶像差Zemike系数、波面PV和RMS值,进一步计算得到环围能量曲线等,从而可以全面了解输出光束质量并能有针对性地对光腔进行调整,达到较理想的光腔共轴状态.     

穿越流场激光像差特性的动态测量——H-S波前传感器方法

用H-S(Hartmann-Shack)波前传感器可以精确测量穿过超声速流场的激光动态波面及其变化过程,进一步计算还可以获得光束质心漂移、远场分布等数据。讨论了利用H-S波前传感器测量穿过超声速流场激光波面的原理,并采用模式法进行波前重构,得到了在几种流场条件下的激光波面像差特性如PV和RMS、各阶Zernike像差系数,环围能量分布和Strehl比等。结果表明,采用H-S传感器进行测量、并用模式法进行波前重构可以较好反映流场建立、稳定和结束过程中各阶Zernike像差的变化。比较无流场和给定参数的超声速流场,激光穿越后产生的最明显变化为离焦A3和低阶像散A5的增大。     

拍瓦级激光系统前端波前热畸变和晶体动态热透镜效应的测量

为了有效改善飞秒拍瓦激光系统的输出波前质量,研究了10Hz前端激光脉冲的波前随泵浦能量的变化特性.结果表明:由于增益介质的热效应,放大光束的斯特尔率(Strehl ratio)随泵浦能量的增加而下降,这说明光束的聚焦性能发生改变.利用波前展开的Zernike系数,进一步分析研究发现,由于热透镜效应,经多通放大的激光脉冲波前不仅离焦量发生了变化,像散量也发生了变化.离焦量和像散畸变是光束经过多程放大后畸变变化的两个主要分量,要改善波前必须予以补偿.在此基础上,用He-Ne光作为探测光,测量了实验装置中的钛宝石在不同泵浦能量下的热焦距,与基于钛宝石晶体参数计算出的理论值符合较好.     

扰动对非稳腔模式的影响和腔内倾斜像差校正

采用哈特曼-夏克(Hartmann-Shack)波前传感器分析了腔内扰动对无源正支共焦腔调腔光模式的影响,用模式法进行了波前复原计算。引入等量扰动,腔内凹镜对于腔模的影响大于凸镜;且对于大菲涅耳数非稳腔,腔内倾斜扰动量与输出光束中查涅克(Zernike)倾斜像差系数具有较好线性关系。建立了基于哈特曼-夏克波前传感器进行腔外探测,控制腔内凹镜的低阶像差校正系统,比较了在不同腔内扰动状态下对倾斜像差的控制结果。实验表明,对于腔内扰动频率较低或者准静态的情况,控制系统对腔内倾斜像差的校正具有较好的效果。     

高能激光器自由旋涡气动窗口激光波前畸变的初步研究

分析了用哈特曼 夏克波前传感器研究高能激光器自由旋涡气动窗口对输出激光波前畸变的原理 ,并利用37单元哈特曼波前传感器实验研究自由旋涡气动窗口对输出激光波前的影响。结果表明 ,自由旋涡气动窗口对输出激光波前的影响主要是光束偏转和离焦 ,而其他低阶及高阶像差都比较小。由于透射激光束的偏转是稳定的 ,很容易由倾斜镜进行校正 ,因此稳定工作状态下的自由旋涡气动窗口能够满足实验需求。     

腔内扰动对虚共焦腔模式的影响及Zernike像差拟合

为实现高功率或高能激光器输出良好的光束质量和能量,分析了腔内像差扰动对非稳腔模式的影响,采用数值迭代法理论计算了腔内倾斜扰动对无源虚共焦非稳腔输出模式强度和相位分布的影响,并采用Zernike模式法对光束相位进行了像差拟合分解,得到了前35阶像差系数,通过进一步计算得到点扩散函数和环围能量曲线等,从而全面了解输出光束质量.结果表明,对小菲涅耳数虚共焦型非稳腔,腔内倾斜扰动不仅带来输出光强分布的不均匀性,且对相位分布有明显的影响,使相位中的一些高阶Zernike像差如A_3,A_7和A_(10)等增大.计算结果对研究高能激光器腔内像差校正有一定参考意义.     

腔内扰动对虚共焦腔模式的影响及Zernike像差拟合

为实现高功率或高能激光器输出良好的光束质量和能量,分析了腔内像差扰动对非稳腔模式的影响,采用数值迭代法理论计算了腔内倾斜扰动对无源虚共焦非稳腔输出模式强度和相位分布的影响,并采用Zernike模式法对光束相位进行了像差拟合分解,得到了前35阶像差系数,通过进一步计算得到点扩散函数和环围能量曲线等,从而全面了解输出光束质量.结果表明,对小菲涅耳数虚共焦型非稳腔,腔内倾斜扰动不仅带来输出光强分布的不均匀性,且对相位分布有明显的影响,使相位中的一些高阶Zernike像差如A3,A7和A10等增大.计算结果对研究高能激光器腔内像差校正有一定参考意义.     

薄膜诱导波前像差

用于望远镜反射镜或其他光学表面的膜层会对光学系统的成像质量产生重要影响。本文计算了由膜层对S、P分量的相移而引起的像散和离焦。薄膜诱导波前像差通常是可以忽略的，但在某些情况下会超过系统的几何波前像差。本文以F数为f／1．5的卡塞格林望远系统中所用反射增强型薄膜的诱导波前像差为例进行了数值分析。     

几种失调反射光学系统的波像差特性

为了描述失调状态下反射光学系统在整个像平面中的波像差分布特性,从而对反射光学系统进行有效的装调,对偏心和倾斜影响下的几种反射光学系统的三阶彗差和三阶像散进行了研究。首先,对失调光学系统三阶波像差的矢量形式进行了推导。然后,对失调状态下经典Cassegrain系统、Ritchey-Chrtien系统和三反射镜消像散系统三阶彗差和三阶像散的分布情况进行了分析,并且对两反射和三反射系统的装调进行了简要的讨论。使用Zernike多项式对视场中各个位置的波像差进行拟合,分离出三阶彗差和三阶像散并进行了全视场显示。理论分析与实际拟合结果一致,说明结论是正确的。     

腔内像差扰动对正支共焦腔模式的影响及腔内像差校正

腔内像差扰动对激光器输出模式有显著的影响,直接带来输出光束质量和能量的下降。采用数值迭代法分析了正支共焦腔腔内倾斜扰动对耦合输出相位模式的影响,并采用泽尼克像差对波前相位进行了拟合,得到前35阶泽尼克系数、点扩展函数(PSF)和环围能量曲线,从而全面反映光束质量。并采用哈特曼-夏克(Hartmann-Shack,H-S)波前传感器进行了实验定量测定,用模式法进行了波前复原计算。针对腔内低阶像差校正问题进行了原理性实验研究,建立了控制腔内凸镜的像差校正系统。结果表明,控制系统对腔内准静态像差扰动闭环效果较好,输出光束前10阶泽尼克像差、波前畸变的峰值(PV)和均方根(RMS)值均得到明显减小。     

波前编码技术:新兴的“光学-数字”一体化成像技术

波前编码技术是一种即可以提高系统成像质量又可以降低系统种类的“光学-数字“一体化的系统级成像技术,可以很好地控制离焦以及由离焦引起的像散、Petzval场曲、色差,还有由装调、温度漂移等引入的类似离焦的像差,在大视场、大焦深的条件下获得接近衍射极限的像质。介绍了波前编码技术的发展过程、理论基础、各国研究进展、应用前景等方面,并提出了目前存在的问题。     

液晶空间光调制器波前模拟及误差补偿

反射式液晶空间光调制器(LC-SLM)反射基板的 曲率误差和液晶盒的边缘 场效应导致波前模拟精度下降问题,本文研究用LC-SLM模拟波前, 通过静态误差补偿法和残差反馈法,探讨提高波前模拟精度的有效方法。实验结果表明,LC -SLM能较好模拟基于Zernike多项式的离焦、像散、彗差和球差等8项波像差,但是具有一 定的模拟误 差,均方根误差(RMS)值平均为0.265λ ,静态误差补 偿法和残差反馈法使波前模拟误差RMS值分别降低到 0.223λ 和0.170λ,残差反馈法更有效。提高波前模拟精度能够使LC-SLM在 自适应光学技术、飞秒激光加工、实时全息显示和光学测量等领域具有更大的应用前景。     

内光路系统的缩放模型及其热变形像差的波前预补偿

以内光路系统的原始模型和缩放模型为研究平台,结合热传导方程、热弹性运动方程以及光场的角谱衍射理论,对两个模型中热变形像差及其波前预补偿分别进行了模拟计算。进行波前预补偿前,缩放模型和原始模型的计算结果基本相同,均表明热变形像差主要包括像散项和离焦项,其中,像散项的大小由强激光在反射镜上的入射角度决定;而进行波前补偿后,缩放模型在镜面热变形和光学特性等各方面的结果均能与原始模型保持吻合,且两个模型之间能够实现很好的数值反演。     

相位共轭技术在补偿高功率激光器动态波前像差中的应用

对于高功率激光器光束畸变的实际问题,目前提出的有些方法只能对像差进行有效的补偿,却不能补偿自相位调制所引起的畸变.针对激光谐振腔的失调问题进行简单理论分析及编写数值程序进行计算,提出相位共轭法能够对上述两种畸变进行有效的补偿,进一步针对实际采用相位共轭补偿技术的高功率Nd:YAG MOPA激光器的典型实验来进行分析,采用波前像差的PV值和RMS值的结果作为系统分析参数,得出相位共轭技术能有效地改善高功率激光器光束输出质量.     

一种基于AODV的链路质量与能效优先的跨层路由协议

针对本振光为高斯分布, 接收信号光经望远镜聚焦后为艾里分布的情况, 首先对高斯和艾里函数用数值计算的方式得到两种光斑最大外差效率: 当艾里斑直径和高斯光束束腰直径之比为1.719时, 最大外差效率为81.45%; 然后介绍了光的标量衍射和Zernike像差理论, 分析了夫琅禾费衍射适用于相干聚焦光场的条件, 计算了平面、高斯、艾里光场和Zernike像差的采样要求, 对存在各种像差的光学系统的外差效率进行了仿真, 分析了倾斜、离焦、像散、慧差、球差等基本像差及组合像差对外差效率的影响, 结果表明: 各种像差对外差效率的影响从低到高分别为像散、倾斜、离焦、慧差和球差; 3dB外差效率损失对应相干系统的指标为跟踪误差优于1μrad(RMS), 组合波像差优于0.1λ。研究结果对相干激光通信系统的链路损耗分配和光机系统的工程设计具有指导意义。     

基于标量衍射的星间相干激光通信外差效率研究

针对本振光为高斯分布,接收信号光经望远镜聚焦后为艾里分布的情况,首先对高斯和艾里函数用数值计算的方式得到两种光斑最大外差效率:当艾里斑直径和高斯光束束腰直径之比为1.719时,最大外差效率为81.45％;然后介绍了光的标量衍射和Zernike像差理论,分析了夫琅禾费衍射适用于相干聚焦光场的条件,计算了平面、高斯、艾里光场和Zernike像差的采样要求,对存在各种像差的光学系统的外差效率进行了仿真,分析了倾斜、离焦、像散、慧差、球差等基本像差及组合像差对外差效率的影响,结果表明:各种像差对外差效率的影响从低到高分别为像散、倾斜、离焦、慧差和球差;3 dB外差效率损失对应相干系统的指标为跟踪误差优于1μrad (RMS),组合波像差优于0.1λ.研究结果对相干激光通信系统的链路损耗分配和光机系统的工程设计具有指导意义.     

光纤激光相干合成中倾斜波前控制的研究进展

相干合成是获得高功率、高光束质量激光输出的有效方法之一。在光纤激光相干合成中,各路激光的活塞相差、倾斜波前和光束拼接方式直接影响合成光束的质量。各个单元光束波前的倾斜误差对合成的效果有重要影响,因而倾斜波前控制具有重要的意义。详细介绍了液晶空间光调制器、高速倾斜镜和光纤自适应准直器等常用的倾斜控制器件,对比目前用于倾斜波前控制的不同方案,分析了各方案的优缺点。并对光纤激光相干合成中倾斜波前主动控制的发展进行了总结和展望。     

基于波前编码的大焦深弹载双色红外探测系统

波前编码技术通过在光学系统光瞳位置加入特殊的相位掩模板,对目标信号光波进行编码调制,并在图像处理端对该编码信号进行解码而恢复原图像,由于被编码调制后的波前对离焦等像差的不敏感度扩大了十数倍,能显著扩大光学系统焦深。因此,波前编码技术能在编码与解码之间解决恶劣力热条件或多色制导体制对弹载红外探测系统带来的离焦和对准误差。文中基于波前编码扩大焦深基本原理,对一长长双色红外光学系统进行了10倍焦深扩大的波前编码像差钝化设计。集成样机后,进行了波前编码成像实验。以小孔点靶编码像作为PSF解码10倍离焦位置处的十字靶和四条靶图像,十字靶和四条靶解码图像清晰可辨,证明波前编码技术对于系统像差或离焦像差的抑制是有效的。最后,对波前编码成像效果进行了分析:解码图像的水波纹是由于空间采样PSF不足导致的,可提取不同视场位置PSF,使用空间变化解码算法实现条纹消除;由于解码图像会在放大信号的同时放大噪声,因此,解码算法需要进一步研究噪声抑制算法,以期满足弹载高能量、高信噪比应用的要求。