基于CCD的光斑能量分布测量及特性分析

光纤技术应用于自由空间激光通信系统有诸多优点,而且应用前景广阔。空间光与光纤的耦合效率问题是其应用中的首要问题。本文论述了光斑半径与耦合效率的关系,对有无大气影响时的光斑形状进行的仿真,分析了大气湍流对光斑形状以及半径的影响,采用CCD对激光光斑进行测量,分析CCD采集到的激光光斑的能量分布、光斑半径等特性,特别针对当采集到的光斑中央最大光功率超出CCD的探测范围,根据已知的光斑能量分布,推算出光斑中央的光功率,用以拟合出实际光斑能量分布,确定光斑半径大小。对光斑半径大小的研究有助于合理选择光纤的芯径及数值孔径,评估空间光到光纤的耦合效率。     

入射光斑对双F-P标准具测风激光雷达的影响

在直接测风激光雷达的接收光路中安装CCD监视器，发现了入射到标准具上光斑的形状及其强度分布对标准具透过率曲线产生的影响。理论分析表明：入射光斑影响了双Fabry-Perot标准具的频谱间距和透过率曲线的形状，双边缘直接测风激光雷达由此将引入较大的系统误差。另外，由于强度分布的随机性，使系统的校准常数失去实际意义。通过在传导光纤上安装扰模器，并在反演风速时引入强度分布函数，可以减小光斑引起的误差。理论和实验表明，文中方法对直接探测测风激光雷达的精度有直接影响。     

激光热处理光束优化系统

激光束的光强分布以及光斑形状对激光热处理硬化层性能影响极大,一般要求光强均布的矩形光斑或宽带光斑;但是光强均布的激光束不一定产生均匀的硬化层,目前的激光热处理光束优化装置得到的是中间厚,两边薄的月牙形分布硬化层.为了改善激光热处理硬化层分布的均匀性,在分析国内外激光热处理光束优化系统研究现状及存在问题的基础上,提出了光束优化系统的两种方案,激光扫描环形光斑和线形光斑.建立了两种光斑温度场的数学模型,模拟了温度场分布.从理论上说明了两种方案能够改善激光热处理硬化层分布均匀性.     

点阵式远场激光光斑监测系统的设计与实现

介绍了一种采用光电探测器点阵监测激光远场光斑的形状分布和激光脉冲时序的方法及其系统的实现。系统可实时监测光斑的形状和形心位置及激光脉冲的绝对时和相对时，激光脉冲发射时间测量精度优于0．2μs。在对激光目标指示器等远场激光照射器的性能评价和激光通信中的远场激光信息场的测量中有较大实用价值，并对大面积的激光光斑的测量有重要的参考价值。     

非对准高斯光束入射下的小孔衍射光强分布

点衍射干涉仪中小孔的对准情况直接决定小孔衍射光斑的形状及位置,也影响着后续光路的布置.基于瑞利-索末菲衍射理论,对非对准高斯光束入射下的小孔衍射光强分布进行了研究,给出了平移、离焦、倾斜三种对准误差下的光强分布解析表达式,分析得出了不同直径小孔在不同对准误差下的衍射光强分布情况.研究表明:平移对准误差会使衍射光斑形状发生变化,但对衍射光斑中心的位置没有影响,随着平移对准误差的增大,沿平移方向的第一暗环呈月牙状并逐渐消失;离焦对准误差对衍射光斑的位置和形状均无明显影响,但衍射光强值会随着离焦量的增加而减小;倾斜对准误差会使衍射光斑中心位置发生偏移,但衍射光斑的形状不会发生变化,并且偏移方向与斜入射方向一致,偏移量与倾斜角之间呈线性关系.     

激光转镜扫描光束的优化和光斑特性分析

本文分析了１０千瓦激光宽带扫描转镜的光斑形状、功率密度分布，得到了扫描光斑近似表达式、线光斑功率密度分布公式和功率密度最大相对变化率（约１．１％）。     

准直光束高斯特征对直写光斑强度的影响

通过建立非理想准直光束残余高斯特征的功率密度模型,阐述了光束准直效果与功率密度的关系,借助光束通光比例系数对直写光斑强度分布影响的分析,以光斑主瓣、旁瓣的强度和宽度为主要特征,讨论了直写光斑强度及强度分布与光束准直效果的变化规律,确定了合理选取激光直写系统中准直扩束比例系数的原则.通过仿真不仅系统阐述了理想准直光束与非理想准直光束所形成的直写光斑形状的差异,还描述了理想准直光束近似计算光斑强度分布时的误差形式,这一结论为激光直写机准直系统设计提供了理论依据.     

大气湍流对象限探测器光斑检测的影响

大气湍流运动频率一般在几赫兹到几百赫兹之间变化,激光在大气中传输时将受到此种运动的调制,调制的结果将对接收到的光斑能量分布形式与光斑形状产生影响,光斑能量与形状的变化将对象限探测器(QD)的输出产生影响.设计了一种湍流环境下的光斑检测后续处理电路,该电路使用两级增益系统,初级增益主要抑制噪声,二级增益使用可变增益放大,实现对象限探测器输出信号的有效放大与处理.搭建实验系统来完成湍流环境下的器件性能测试,当测试距离为830 m时,完成不同信噪比、光宽大小、调制信号对探测器影响的测试;当测试距离为12.5 km时,象限探测器没有细分能力,噪声占据整个光敏面,失去光斑检测的能力,使用数字滤波可以提高其细分能力.     

基于单片机的激光远场光斑直接测量系统

激光远场光斑测量对描述激光束的远场性能,评价激光器以及系统的实际工作性能具有重要意义,通过比较激光光斑远场直接测量与间接测量的优缺点,提出使用单片机控制的探测器阵列进行远场光斑直接测量．描述了系统结构,分析了关键技术,给出了主要程序的框图．该系统能够测量激光光斑大小、形状、总能量、能量分布、重心、束散角等参数,可适用于多种重复频率的激光器,测量面积大、精度高,实时性好,为激光束绝对空间能量分布的测量提供了有效手段。     

红外光学系统成像像质的检测

该系统可用于红外光学系统成像质量的检测,它用CCD接收信号,通过自动聚焦,检测最小成像光斑的位置、大小、光能分布以及固定像面光斑的形状与大小,以数据和三维图形显示测量结果,评价光学系统的成像质量.     

高阶拉盖尔-高斯径向偏振光束强聚焦产生的光链

基于Richards-Wolf的矢量衍射积分公式,研究了 高阶拉盖尔-高斯径向偏振光束经过衍射光学 元件(DOE,diffractive optical elements)和高数值孔径(NA)透 镜组成的光学系统后的聚焦特性。根据数值模拟结果, 比较了相关参量的变化对深聚焦特性的影响。研究表明,入射光束经过此光学系统后,在焦 点附近产生沿 光轴方向的三维多点光俘获结构—光链,并且入射光束的相关参数和聚焦透镜的NA大小都会影响光束的聚焦特性。     

光固化成形系统激光光斑光强分布检测方法研究

激光束的模式及光强分布对光固化成形制件质量的影响很大。本文采用针孔矩阵扫描方法。检测激光束投射在工作平面上的光斑，并经过数据处理获得光斑的二维和三维的光斑分布图像。该方法获得的数据既可对光斑进行定量分析也可用于定性分析。     

部分相干光束的聚焦特性

基于部分相干光的传输方程,研究了光强为高斯分布、空间相干度函数为零阶贝塞耳函数的部分相干光束的聚焦特性。研究结果表明,在几何焦点附近的光强分布不仅依赖于入射的部分相干光束的光强分布,而且还依赖于部分相干光束的空间相干度。当空间相干长度、焦距等参数取某些特定值时几何焦点附近的光强分布将出现平顶光束的分布形式;另外,当空间相干长度取值改变时几何焦点附近的光强分布将出现局域空心光束的分布形式。基于此,可以通过改变部分相干光束的空间相干度来实现对几何焦点附近光强分布的控制,从而获得需要的光强分布。     

He—Ne激光作图象扫描光源的研究

本文介绍了He—Ne激光作图象扫描光源的实验研究，包括聚焦激光束束腰和聚焦光点光强分布的测量、焦深和取样点光强密度的分析、激光光强的调制、消除光强漂移影响的方法、伪彩色识别等等。还扼要地介绍了激光扫描织物图案处理系统。     

非线性介质中的强激光系统自聚焦现象的仿真分析

以强激光系统和自聚焦理论的研究为出发点,主要采用光束传输法和光线追迹法分析了非线性介质下的强激光光束传输过程。并且,基于适合于非线性介质下光线追迹的亚当斯法和基于梯度信息的光强分布的恢复算法,仿真模拟出光强与透镜厚度、介质折射率、透镜曲率半径以及入射光束半径的关系;同时结合光学设计软件,不仅得出了折射率与光强的乘积与焦点位置的变化关系,还通过点列图中的数据直观地反映出系统结果的成像质量,最后对光线追迹法和光束传输法两种光学方法进行了对比分析。仿真分析结果可以判断出系统的哪些部分容易受到自聚焦的影响,进而可以通过改进某些参数的大小,减少并消除其不利影响,找到适合于强激光系统的最优方法。     

振幅调制高斯光束的聚焦特性及焦深

为了研究在不同数值孔径情况下振幅调制高斯光束的聚焦特性和焦深,采用基于德拜近似条件的矢量衍射理论进行了计算和数值模拟。模拟结果显示,在低数值孔径的光学系统中,焦平面上的光强分布呈圆形;而在高数值孔径的光学系统中,由于存在去偏振效应,光强的分布呈椭圆形分布。结果表明,可以通过改变几何参量和高斯光束的振幅调制参量的幂指数n调节焦点大小和焦深。     

High light-level blooming in the silicon vidicon

Blooming occurs in silicon-vidicon targets because more hole-electron pairs are created at a given point by the incident light signal than can be removed by the action of the scanning electron beam. The excess carriers move laterally in the target through diffusion and, as a result, the blooming has the following properties- 1) the Slope of the blooming curve on semilog paper does not depend on the size of the incident light spot, i.e., at a given overload intensity, all circular spot sizes add the same excess amount to their radii; 2) the radius of a bloomed spot increases linearly with the log of the incident intensity; 3) the Slope of the blooming curve does not depend on beam current; however, the intensity at which the blooming begins does depend directly on the beam current. At very high incident-light intensities, a dramatic increase in the blooming is observed. This can be attributed to diffusion under conditions where the minority carrier level has become equal to the majority carrier level.     

应用Collins公式和像差的Zernike展开分析激光光束在实际光学系统传输特性

在Collins公式基础上,将像差项用Zernike多项式展开后加入衍射积分,获取实际激光光束通过光学系统后的光强分布.对相关理论进行仿真,验证了理论的正确性.同时针对实际激光聚焦光学系统,从统计规律角度分析了系统公差引入对Gaussian光束聚焦光斑带来的影响.计算结果表明聚焦光斑总体随波像差RMS值增大而增大,不同像差分布形式对聚焦光斑特性影响较大.未分配系统公差时,激光聚焦光斑半径为1.520 mm;引入系统公差后,聚焦光斑半径有90%概率小于2.085 mm,平均值为1.700 mm,偏差为0.238 mm.     

激光无线能量传输接收端光束匀化装置设计

激光无线能量传输中,激光光强分布不均匀和激光光斑与光电池形状不匹配会导致系统光电转换效率降低,局部温度过高,极端条件下甚至对光电池造成损伤。基于分布式匀化思想设计了一种激光接收装置,首先用光学整形扩散片在光电池各子区域进行光束初次匀化,然后用光学漏斗进行二次匀化和整形。针对1 cm×1 cm光电池,分析了光学整形扩散片的扩散角度和光学漏斗的高度对光束匀化效果的影响,优化后的激光接收装置的耦合效率η_c>95%,光强不均匀度Δ<0.05。此外,该激光接收装置对激光入射角不敏感,入射角为20°时,η_c>80%。搭建了3×3光电池芯片阵列的激光无线输能系统,采用分布式匀化激光接收装置,光强不均匀度由0.34降到0.12,光电池转换效率提升了65%。与正入射时相比,入射角为18°时,系统转换效率变化小于20%。结果表明,该分布式匀化激光接收装置有效提高了接收端的光强均匀性和系统光电转换效率,且对激光入射角不敏感,在激光无线能量传输中有重要作用。     

多棱镜激光扫描非球面透镜聚焦系统研究

为了提高激光打孔生产质量和降低生产成本,提出了一种多棱镜旋转扫描非球面透镜聚焦在线打孔方案。系统将CO2激光器发出的连续光束经光调制器入射在多棱镜的其中一个表面上,光束经过反射依次扫入聚焦透镜组中。由于轴外像差和扫描速度失真会引起聚焦光斑的线性畸变,从而导致打孔形状的变化,通过选取非球面透镜对光束整形,在聚焦同时调整聚焦光斑的形状以控制打孔的形状。结果表明,在扫描系统中线性误差可控制在0.5%内,打孔大小形状满足生产要求,与传统激光打孔方式相比,提高了打孔的质量与效率。