快速确定K-L展开的泽尼克多项式系数的协方差矩阵对经过大气湍流的波前进行模拟

使用基于zernike多项式的K-L展开法对经过大气湍流的波前进行模拟时,需要根据泽尼克多项式的协方差矩阵对泽尼克多项式的系数进行求解,从而实现对大气湍流的模拟。本文使用一种快速确定协方差矩阵的方法求得泽尼克多项式系数,进而实现对波前的模拟,并以前15阶泽尼克多项式为例,模拟出经过大气湍流的波前。     

多层电介质衍射光栅高功率激光辐照特性研究

多层电介质反射式衍射光栅作为光谱合成系统的核心元件,在高功率激光辐照下的表面形变将导致其衍射特性改变,进而影响系统合成光束质量和衍射效率。搭建泰曼-格林干涉仪探测在高功率激光辐照下衍射光栅表面的干涉条纹,经图像处理及泽尼克多项式拟合实现光栅表面形貌的重建。采用高功率光纤激光辐照加热光栅,测量另一光束经过热畸变光栅后的光束质量和衍射效率演变。结果表明,在高功率激光辐照下光栅表面形变高度分布为高斯型,辐照功率密度3kW/cm~2时,干涉条纹对应区域内的光栅表面在垂直方向上隆起,最大高度为127nm。表面形变引起衍射光束质量因子M2退化,这种退化主要来自衍射光远场发散角的增大。光栅衍射效率波动幅度小于1.8%。     

变形镜在激光辐照下热畸变有限元模拟

利用有限元分析软件数值模拟了固体激光器系统中由单晶硅（Silicon）、石英（Silica）与超低膨胀玻璃（ULE）等不同材料制作的变形反射镜受激光辐照下的热畸变特性。计算结果表明:当入射激光功率密度为0.225 kW/cm2,激光照射时间为10 s,镜面反射率为99.9%时,三种材料的变形镜的最大温升分别为0.804、6.751与7.122℃,最大热变形分别为0.049 3、0.034 8与0.005 m,相比之下,单晶硅温升较小,超低膨胀玻璃（ULE）的变形与应力最小,ULE是未来比较理想的镜面材料。最后,对变形镜在长脉冲激光辐照下也进行了计算与分析。     

基于变形镜热形变预估模型的自校正效果分析

在波前校正过程中,变形镜(DM)在强激光连续辐照(CW)下会产生热形变,进而对入射光引入附加波前畸变,从而制约了变形镜的波前校正效果,致使光束质量改善效果变差。从变形镜热形变面形的Zernike多项式分解出发,建立了强激光连续辐照下变形镜的热形变预估模型,根据预估所得的热形变面形,模拟计算得到了变形镜的驱动器控制信号参数,进而驱动变形镜对其自身的热形变面形进行了实时补偿。仿真结果表明,该自校正方法能有效补偿变形镜自身的热形变面形,减小变形镜热形变对其校正能力的影响;采用局部换热方式只能在一定程度上减小变形镜形变面形引起的平移相差和离焦相差,对光束质量的改善效果也比较有限,而该自校正方法能有效减小热形变引起的光程差,从而对光束质量起到明显的改善作用。     

快反镜的镜座结构热分析研究

针对校正激光光束的快反镜使用过程中,残余光束辐照到镜座后导致镜座结构变形,对系统造成的不利影响,围绕镜座结构设计开展了针对性的研究。对镜座结构从选材到结构布局进行了详细分析,提出了采用铝材料镜座结构。对镜座中间光束最密集处采用镂空设计的方法,进一步提出了镜座采用SiC材料的设计方向。对设计后的铝材料镂空镜座结构进行了热分析计算,验证了设计方法的可行性,为类似快反镜镜座结构设计提供了新的设计思路。     

激光反射镜动态形变的测量

采用泰曼-格林干涉仪,测量了反射镜在高功率激光连续辐照下发生的热形变和镜背侧冷却水压造成的压力形变。测量结果表明,为缩小激光热形变和压力形变,降低激光功率密度和增大反射镜径厚比是必要的。碳化硅是较优秀的反射镜材料。     

基于泽尼克模式系数的自适应光学遗传算法

为了提高遗传算法(GA)控制的自适应光学(AO)系统的收敛性能,建立了一套新型的基于泽尼克(Zernike)模式系数的19单元自适应光学系统模型。在优化过程中,遗传算法不直接优化变形镜(DM)19个驱动器上的电压值,而是优化前10阶泽尼克模式系数。推导出19个电压值与前10阶泽尼克模式系数之间的关系矩阵,并进行了对比数值仿真。结果表明,该系统能够更好地校正固体激光器系统输出光束的波前像差。相对于直接优化变形镜电压值的无波前自适应光学系统,该自适应光学系统能够将遗传算法的收敛速度提高5倍以上。     

星载激光通信光学反射镜镜面热变形及其对光学系统影响的研究

在在轨运行的热环境条件下,星载激光通信端机光学反射镜镜面的热变形会对空地激光通信链路性能产生严重影响。本文利用有限元分析软件ANSYS建立了星上激光通信端机光学反射镜的有限元模型,并对镜体在压圈固定方式与压板固定方式下的热变形进行了仿真。利用ZEMAX光学仿真软件就镜面的变形对光学系统产生的影响进行了分析。仿真结果表明,反射镜面的热变形将导致传输光束扩展、波前畸变,这些影响会使探测器接收功率降低,从而恶化空地激光通信链路的性能。因此为了建立稳定高效的空地激光通信链路,必须在镜面材料选择、镜体应力释放方式、镜体大小选择等方面进行合理设计。     

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。     

远红外光学薄膜的热特性研究

本文采用表面热透镜技术对10.6μmCO2激光辐照下的样品微弱吸收进行了研究,并对实验结果进行了分析。对10.6μm激光辐照下光学薄膜样品中的温度场进行了数值模拟,应用夏克—哈特曼波前传感器对几种不同的基底材料和光学薄膜在10.6μm激光辐照下的热畸变进行了测量。     

万向柔性铰链连接快速反射镜的设计与仿真

在高能激光武器系统中,快速反射镜作为光束指向控制的核心器件,对提高毁伤效能起到关键作用。针对扩展高能激光武器系统光束指向范围的战术需求,设计了一种万向柔性铰链连接快速反射镜系统。研究了各组成单元对快速反射镜系统性能的影响因素,分析了单自由度单音圈电机驱动反射镜设计方案的可行性。在此基础上给出了音圈电机和光栅测微仪的设计依据,进行参数设计,推导了万向柔性铰链的柔度表达方程,并验证了万向柔性铰链的弯曲强度。仿真结果表明,快速反射镜系统具有3.3的运动行程,一阶谐振频率达到了231.04 Hz,满足了大行程、高带宽的设计要求。     

光学系统中白宝石分光镜的热变形像差分析

以光学系统中的白宝石分光镜为研究对象,利用有限元方法和Zernike多项式对其热变形像差进行了计算和拟合,分别对入射激光的反射相移和信标光的透射相移进行了研究和分析。入射激光的反射相移的主要像差为离焦项;信标光的透射相移的主要像差包含离焦项和主球差项,而主球差的引入主要是由于在激光入射区域边界上轴向温度分布的不均匀性。利用像差比率γnm直观反映入射激光的吸收功率与反射激光和透射信标光的像差的关系,对入射激光而言,其离焦比率γ20=0.0393;对信标光而言,其离焦比率γ20=-0.0011,主球差比率γ40=-0.0033。     

高功率激光系统中内光路热变形的仿真及实验研究

为了研究高功率激光系统中的内光路热变形累积效应对光束质量的影响，开展了理论和实验研究。首先，选择三种非稳腔输出的典型高功率激光，激光功率分别为10 kW、50 kW和100 kW，通过热动力学瞬态方法的有限元分析对激光照射的反射镜进行热变形分析。然后，利用光线追迹理论得到激光的波前像差。最终，激光远场光束质量中的Strehl比，因子可以通过Fresnel衍射积分进行计算和对比分析。仿真结果表明，由于内光路反射镜的热变形，远场光束将出现偏心和像散的现象，其中心光强及会聚能力均会下降。随着内光路反射镜的增加，Strehl比减少而因子增加，远场光斑x方向的倾斜、像散及彗差也会逐渐增加，将成为系统的主要像差。为了和上述理论仿真结果进行对比，建立了一个测量反射镜热变形实验平台，实验中采用10 kW的TEA CO2激光器照射99%反射率的铜反射镜，通过等效放大原理，实验结果可以部分代替50 kW和100 kW功率水平。镜面热变形的测量精度小于/15，并和仿真结果吻合得较好。结果表明，反射镜的热变形在激光功率超过10 kW时不能被忽略，且随着激光功率及反射次数的增加，这种热畸变将变得越发严重。所得结果将对高功率激光系统的热畸变分析过程提供指导，并可应用于激光核聚变及激光武器系统等的设计分析中。     

激光自动对准系统中快速反射镜机构研究

针对激光自动对准系统,开展了快速反射镜机构研究.利用2个直线步进电机,分别驱动2对楔块,通过楔形摩擦副实现快速反射镜的两维转动,应用楔块角度自锁,实现快速反射镜对光轴的精密调整和精度保持.为保证激光对准系统工作时,对准激光经快速反射镜后能始终返回CCD视场内,确定快速反射镜的工作转角范围:方位为±6.975′,俯仰为±...     

大口径快反镜面形测试系统设计

大口径快速反射镜（快反镜）常被应用于空间光通信和激光武器等领域。为实现工作状态下大口径快反镜面形误差的实时检测,设计了大口径快反镜面形测试系统。该系统的口径参数为400 mm,工作波长为633 mm,由离轴式前置扩束系统和焦面附件系统组成。对测试系统的设计参数及元件参数选择进行了阐述,设计和仿真了光学系统结构,并基于光机热集成分析获得温度变化对光学系统的影响。测试大口径快反镜面形测试系统后结果表明该系统可实现实时记录和高精度测量,且在温度变化的工作环境下也可实现稳定测量,其测量稳定性为0.048λ（RMS,λ=633 nm）。     

基于液晶空间光调制器的光束偏转控制

液晶空间光调制器(LCSLM)通过实时调制波前倾斜实现光束偏转,与传统的快反镜相比,具有非机械调制、体积小、功耗低、轻巧灵敏等优点,可应用于空间光通信中。简单介绍了液晶实现光束偏转的原理,并测试了LCSLM的调制特性,根据调制特性设计基于LCSLM的光束偏转闭环系统。实验结果表明LCSLM能有效地抑制光束抖动,使相对误差小于±1.75%。分析了LCSLM的衍射效率对于光束质量的影响及液晶响应速度、系统传输时延和算法复杂度对控制系统带宽的制约。     

基于超磁致伸缩材料的高速倾斜镜的设计与应用

在目标跟踪系统中,由于大气湍流的影响导致光波振幅和相位起伏。为了提高跟踪性能,降低大气湍流造成的光斑倾斜成为了首要目标,而高速倾斜镜（FSM）则是达成这一目标的关键器件。文中介绍的高速倾斜镜利用超磁致伸缩材料（GMM）作为位移驱动元件,通过线圈的电流产生磁场控制材料的伸缩,从而驱动倾斜镜的偏转。该倾斜镜已经被应用于激光大气传输倾斜校正系统中,使湍流造成的倾斜减少了90%,光斑稳定度和光斑质量得到了明显提高。     

基于ANSYS的圆截面激光晶体的热变形分析

为了研究圆截面Nd:GdVO4激光晶体在端面抽运下的温度场和热变形场,考虑弹性体的协调性,采用有限元方法进行了分析,得到了端面抽运激光晶体棒内温度场和热形变场的数值解,并与相同条件下传热学方法计算结果进行了比较。结果表明,两种方法具有相同的最高温度,但有限元法计算所得最大变形量偏小。这一分析结果对端面抽运固体激光的优化设计提供了参考。     

用半导体吸收体实现陶瓷激光器被动锁模研究进展

新型陶瓷材料近年来开始作为激光增益材料,具有低成本、大尺寸、制备时间短、热导率高等优点。大功率飞秒激光器是近年来超短脉冲激光制备的一大热点。本文探讨了使用半导体可饱和吸收镜实现被动锁模大功率陶瓷飞秒激光器的可行性,研究现状以及未来趋势。     

一种共光路自动对准系统

强激光发射装置和光电跟踪系统中,光学器件多,光路复杂,光学机械零件位置的相对移动会使光轴平行度偏离,为此提出一种共光路自动对准系统.基于对准原理,利用激光发射光路,建立上、下行基准光束,使之分别与系统轴系、出射激光平行,并且通过自准直CCD测角仪测出上、下行光路的角偏差值,控制信号驱动快速控制反射镜,使快速控制反射镜两轴转动到角偏差为零值,实现发射激光与一级扩束系统对准及一级扩束系统与跟瞄系统之间的精密自动对准.实验结果表明,对准后的光轴平行度为5.21",快速控制反射镜的闭环精度不大于5".