钠信标光斑大小及回光数研究

钠信标已经成为地基大口径望远镜自适应光学系统的必要组成部分。钠信标光斑大小和回光数是影响自适应光学系统性能的关键因素,从发射角度考虑,主要由激光到达钠层时功率密度分布和耦合效率共同决定。为了准确估计钠信标光斑大小和回光数,首先建立了激光在大气中传输的模型,通过分析激光发射望远镜口径和上行路径大气湍流对激光到达钠层功率密度分布的影响,得出优化激光发射望远镜口径的普适方法;然后根据激光通过发射望远镜后到达钠层的功率密度与耦合效率的关系,计算钠信标光斑大小和回光数;最后利用探测误差和时域误差作为评价指标,计算了系统的最优采样频率。研究结果表明,针对丽江高美古天文台大气条件（大气相干长度（r0@550 nm）中值为7~9 cm）,激光发射望远镜口径最佳值为300 mm,此时产生的光斑最优;当r0为9 cm,激光器采用中国科学院理化技术研究所20 W级百微秒脉冲激光器并利用D2a+D2b双峰泵浦激发钠原子时,产生的钠信标回光数为1.3107 photonss-1m-2,光斑大小为0.6,最优的采样频率为900 Hz。     

激光大气传输远场光斑仿真

从衍射、大气湍流对光束漂移和扩展以及激光发射系统的跟瞄精度等方面分析了激光大气传输的远场瞬时光斑分布。用蒙特卡罗方法仿真计算了远场光斑瞬时质心分布,根据光斑的质心分布和瞬时光斑分布计算了长曝光光斑。     

云南高美古湍流大气中激光短曝光光斑统计特性研究

为了探究激光在自由高空湍流大气中传输的短曝光光斑特性,在云南高美古3200 m的高海拔地区,选择远离下垫面的地势条件,开展了532 nm固体激光1,2,3,4,4.7 km大气传输光斑成像探测实验。利用4000 frame/s采样速率下的短曝光光斑数据,定性地描述了湍流大气中短曝光远场激光光斑的网纹状形态结构以及零星亮点的移动、消散和重构过程,并对激光光斑灰度值进行了定量的统计分析。结果表明:利用二维的光斑图像数据,可以较为方便地获得光强闪烁的孔径平均因子和理想的点闪烁指数,进而得到包括湍流强度和湍流内尺度在内的关键光学湍流参数;同时,也可对激光闪烁频谱、截止频率以及光斑的空间相关特性进行定量的判断。相关数据有助于研究高原或高空长程传输条件下的激光能量在目标靶面上的空间分布及其时间变化特性,为研究激光长程大气传输后光电系统的变化提供了一定的参考。     

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。     

瑞利导星发射系统设计

在天文观测中,瑞利激光导星自适应光学系统可以补偿大气湍流对成像的影响,并且提高天空覆盖率。能够发射一颗合格的瑞利导星成为该技术的前提。为了实现瑞利激光导星在天文观测中的应用,设计了一套瑞利导星发射系统。首先,根据瑞利激光导星自适应系统的基本要求,介绍了激光器的脉冲能量与重复频率的影响;接着,根据湍流理论分析了发射系统的最佳发射口径与大气湍流对导星的光斑大小的影响;然后,根据发射要求利用Zemax软件设计出一套瑞利导星发射系统。该系统最佳的发射口径为260 mm,采样层为10～11km,导星最佳聚焦高度为9.8 km,理想的导星光斑半径为0.45,存在大气湍流情况下导星光斑半径小于1;最后利用Zemax软件对该系统进行公差分析,分析结果表明该系统相对较容易地实现加工与装调。该发射系统满足激光导星自适应系统的要求,实用性高,设计方法普适。     

基于虚拟仪器的激光大气传输光斑漂移测量

光斑漂移对激光在大气中的工程应用具有重要的影响。设计了一个基于虚拟仪器的激光大气传输光斑漂移测量系统,以NI公司的LabVIEW为核心,通过其强大的硬件接口和CCD完成激光光斑图像信号采集,通过软件接口及Matlab强大的数据处理能力完成信号处理与光斑漂移分析,为激光大气传输特性研究提供了一种新的检测手段。     

地空激光大气斜程传输湍流效应的数值模拟分析

大气湍流效应是制约各种激光工程应用的重要因素之一.采用多层相位屏的模拟方法,针对地空激光大气的长距离斜程传输进行了大量数值模拟,通过变化天顶角、光束初始半径和激光波长等传输条件,定量分析了光束的有效半径、相对真空扩展倍数、光斑质心漂移均方根和63.2%环围能量的平均功率密度等统计参量在不同传输条件下受湍流的影响程度和变化规律.结果表明:天顶角越大,湍流效应越强,光束受到湍流的影响越大;波长越短,光束受到湍流的影响越强;光斑的漂移随光束初始半径的增大而减小,且与波长无关;在湍流效应和衍射效应的综合作用下,光束有效半径和63.2%环围能量的功率密度随波长和光束初始半径均不是单调变化.这可为激光工程应用提供一定的理论分析和性能预测依据.     

高能激光及其采样后大气传输中湍流及热晕效应的比较

通过数值模拟，比较了高能激光及其采样后在湍流大气中传输时远场中央长曝光斑的环同能量半径与扩展等情况。结果表明，在仅有湍流时两者保持不变，而热晕会导致光斑的进一步扩展；采样器的透光比越低，热晕对光斑的扩展影响越小；未采样高能激光的远场中央光斑相对于高能激光经采样后的远场中央光斑的扩展，可归因于热晕效应。因此，利用光束波前采样器对高能激光及其采样后在湍流大气中传输时的远场光斑特性进行比较，就可以诊断高能激光大气传输热晕效应。     

背景光及大气湍流对空地激光通信接收光斑产生的影响

为了研究在不同背景光及弱湍流条件下的空地激光传输特性,同时为空地激光通信链路总体方案设计提供相应的实验数据,进行了背景光及大气湍流影响空地激光通信系统接收光斑的实验研究,同时提出了在空地激光通信系统中有效抑制背景光及大气湍流效应影响的措施。     

靶面激光光斑尺寸原位测量的研究

提供了一种简便易行的靶面激光光斑尺寸原位测量的方法。从高斯光束的横向光强分布特性出发,建立了激光烧蚀斑半径与辐照激光能量、光斑尺寸、烧蚀阈值间的关系式,模拟分析发现辐照激光光斑尺寸对烧蚀斑半径随辐照能量变化曲线有较大影响。对于脉宽为2 ms,波长为1064 nm的激光,实验测量了不同能量激光辐照下相纸烧蚀斑半径,并用推导出的关系式拟合测量数据,获得了靶面处光斑尺寸和样品烧蚀阈值。同时,也测量了不同位置处的光斑尺寸和样品烧蚀阈值,对高斯光束束腰位置和样品烧蚀阈值的光斑尺寸效应进行了验证。研究结果表明该技术结果可靠,简单高效。该技术可以为高能激光与固体物质相互作用的基础研究和激光加工等应用领域中实现简单方便地测量靶面光斑尺寸提供帮助。     

偏振部分相干激光斜程湍流大气传输的漂移扩展

采用光场的一阶矩和二阶矩作为评价参数,研究了偏振部分相干激光波束在斜程湍流大气传输中的漂移效应和扩展效应。根据推广的惠更斯-菲涅耳原理,以椭圆偏振部分相干激光波束为研究对象,推导了斜程传输情况下波束的重心坐标、扩展半径和扩展角的表达式,数值分析了偏振波束两正交分量的相位差、方向角、波长、初始束腰半径和接收机高度对波束漂移及扩展的影响。结果表明,在确定的斜程传输距离和接收机高度下,随着偏振波束两正交分量相位差的增大,漂移效应先增大后减小,在确定的斜程传输距离下,接收机高度越高,波束的漂移效应和扩展效应越小。     

环形光束大气传输数值模拟与分析

为了研究大气湍流对环形光束激光工程应用的影响,采用多相位屏数值模拟的方法对环形光束在大气湍流中的传输进行了仿真模拟。通过改变大气湍流强度、传输距离等参数,定量计算了不同传输条件下质心漂移均方根、远场目标的焦平面平均功率密度,给出环形光束传输路径上特征距离解析式并分析了大气湍流对环形光束远场平均光强分布的影响。结果表明,环形光束在大气湍流中传输时光斑质心漂移随湍流效应（湍流强度或传播距离）增强而增大,远场光束质量随遮拦比增大而降低。遮拦比小于0.5时,大气湍流对光束质量的影响较为明显。环形光束大气传输数值模拟方法,可为高能激光武器等激光工程应用的理论分析和效能评估提供依据。     

部分相干高斯-谢尔光束在大气湍流中的平均强度与展宽

基于广义惠更斯-菲涅耳原理,交叉密度函数以及Rytov’s相位结构函数二次近似,利用傅里叶高斯变换推导出部分相干高斯-谢尔光束在大气湍流中的强度分布表达式,并在此基础上分析了大气湍流对角展宽、桶中功率以及光束漂移的影响。数值结果表明：角展宽和光束漂移与光束的初始半径、光源的相干长度有关;远场能量集中度随湍流强度增加、光源相干宽度减小而减小。     

海上大气激光传输特性仿真研究

大气光学效应是影响激光器作用效能的重要因素之一。基于多层相位屏法,针对海上大气环境下激光水平传输做了大量数值仿真,通过在湍流相位屏上叠加热晕以及衰减引起的相位变化,综合考虑三者对激光传输特性的影响;分析了不同激光初始功率、不同折射率结构常数、不同能见度以及有无热晕情况下接收面处激光光斑半径,质心漂移均方根和环围功率比的变化规律。仿真结果表明:激光初始功率越强,热晕效应越明显,光斑畸变越严重,光束质量变差;折射率结构常数越大,湍流效应越强,光斑扩展与光束漂移现象越明显,平均功率密度下降,环围功率比增加;能见度越小,激光能量衰减越严重,环围功率比越大;热晕效应会加大光斑扩展程度,增加光束漂移量和环围功率比。研究结果可为海上大气环境对激光器作用效能评估提供一定的理论依据。     

水下激光光束空间分布特性的实验研究

对高斯光束在不同水体中的传输特性进行了初步实验研究,分析了水体衰减系数对传输特性的影响。实验结果显示,高斯光束在水中不同传输距离处横截面上的光强径向分布仍然可以用高斯函数来描述;高斯光束在水中的光斑半径大于在空气中的,而且水体衰减系数越大,光斑半径扩展得越大;高斯光束在水中的光斑中心光强比空气中的衰减得严重,而且水体衰减系数越大,衰减得越快;高斯光束在大约2～3个衰减长度处光斑光强近似均匀分布。     

大气激光通信中稳定跟踪器件及算法研究

在大气激光通信中捕获对准跟踪(APT)是通信成功的前提。对空间激光通信中的捕获对准跟踪系统常用的两种光束定位探测器件CCD和四象限光电探测器(QD)的特性进行了深入分析,研究了影响大气激光通信跟踪系统性能的5种大气湍流效应,分别讨论了光束漂移、光强起伏、光斑弥散、到达角起伏及光束扩展的原理及对应仿真结果。结合大气湍流和探测器,针对质心跟踪算法和形心跟踪算法进行深入分析,得到并实验验证了在大气条件下形心算法的跟踪误差小于质心误差的结论。     

部分相干高斯-谢尔光束在大气湍流中的展宽与漂移

基于广义惠更斯-菲涅耳原理,交叉密度函数以及Rytov's 相位结构函数二次近似,利用傅里叶高斯变换推导出部分相干高斯-谢尔（GSM）光束在大气湍流中的强度分布表达式,并在此基础上分析了大气湍流对光束展宽、以及光束漂移的影响。数值模拟表明:光束展宽和光束漂移与光束的初始半径、波长、光源的相干宽度以及发射机的位置高度有关,并提出了减小湍流影响的措施。     

部分相干光束在大气湍流中传输的散斑特性

光束在大气湍流中传输时,大气湍流效应对光束进行强度和相位的随机调制,最终在远场处形成散斑。以部分相干高斯-谢尔模型（Gaussian-Schell Model,GSM）光束为研究对象,根据广义的Huygens-Fresnel原理、修正Von Karman谱模型,推导了GSM光束在大气湍流中传输时接收端光束的有效半径和平均散斑半径的表达式。利用数值计算对比分析光源相关参数和大气湍流对光束有效半径和平均散斑半径的影响。研究表明:光束的初始束腰半径越大、相干长度越小以及波长越小时,接收端光束的有效半径和平均散斑半径受湍流的影响越小;大气折射率结构常数越大,光束扩展越严重,此时平均散斑半径越小;光束有效半径和平均散斑半径随湍流外尺度增大几乎无变化,随湍流内尺度的增大而减小。所得出的结论对无线激光通信系统中光束的捕获、对准与跟踪（Acquisition,Pointing and Tracking,APT）系统的设计提供一个重要的参考价值。     

激光在动态大气湍流中的传播特性研究

激光束在大气中传播的过程中会受到大气湍流的影响,导致光斑发生畸变,影响光束质量,并且在真实情况下湍流是随着时间变化的。本文针对这一问题,基于傅里叶变换的谱反演法建立了湍流相位屏模型,并根据湍流冻结法获得动态相位屏,开展了激光在不同强度的动态大气湍流中传输的仿真研究。仿真结果表明:对于相同的激光束,在相同时间内的光斑畸变随着大气湍流强度的增加而增加,并且接收到的功率密度整体上减小,起伏增加。     

反常涡旋光束在各向异性大气湍流中的漂移

为了研究部分相干反常涡旋光束在各向异性大气湍流中的漂移特性,基于各向异性非Kolmogorov大气湍流谱模型,利用几何光学近似与Rytov近似解得到了部分相干反常涡旋光束(PCAVB)在各向异性湍流中传输的光束漂移解析式,并对该漂移解析式进行数值模拟。研究了拓扑荷、相干长度、各向异性因子、折射率结构常数等光束参量及湍流参量对PCAVB在湍流中的均方根光束漂移与相对光束漂移的影响。结果表明,相干性越好的反常涡旋光束,会使光束在各向异性湍流中的漂移现象变得更严重;随拓扑荷数的增加,可以一定程度降低湍流对光束漂移的影响;湍流随各向异性因子的增大,对部分相干反常涡旋光束的漂移影响明显减弱;广义指数参量在3~3.3范围增长时,对PCAVB均方根漂移与相对漂移影响最大,而在3.3~4之间增长时,对光束均方根漂移与相对漂移影响逐渐减弱。此研究对反常涡旋光束在各向异性大气湍流中的传输提供了一种理论模型参考。