角反射器在不同条件下光学性能变化实验研究

介绍了卫星激光角反射器在激光测距中须引入直角误差来克服速差效应带来的影响,并对角反射器的远场衍射能量分布进行了实验研究。另外,分析了空气抖动和机械应力等外界因素对远场能量分布的影响。     

导航卫星激光后向反射器研究

鉴于设计Galileo导航卫星上激光后向反射器的需要,采用理论计算和实验验证的方法对角反射器的光行差补偿设计和远场衍射光强分布进行了研究.对不同直角偏差、是否镀反射膜的角反射器远场衍射光强分布给出了计算和试验结果.研究结果表明:理论计算与实验结果是完全一致的;对类似Galileo卫星的角反射器设计采用光行差角补偿是必要...     

试验卫星激光反射器的设计和试验

MS1和MS2试验星是我国首批设计寿命10年的中高轨导航卫星,为提高在轨精度和实现卫星精密定位,作为舱外有效载荷,两颗卫星均标配搭载了激光反射器。卫星激光反射器光学设计应考虑远场衍射等物理光学影响,不能仅考虑几何光学理论设计。以试验星反射器为例,基于角反射器光学远场衍射能量分布理论为基础,采用最大雷达截面法进行反射器尺寸优化,利用角度补偿法进行速差补偿角设计,对反射器表面加工精度、反射表面特性、切割方式等光学参数进行优化分析计算,并通过合理的机械结构和材料设计,解决了高量级力学环境、330℃高低温度交变、10年空间辐照寿命等环境适应性问题。试验星光学测试结果表明:参数设计合理,可实现远场环带能量在预定观测区域的最大化,在轨观测数据表明反射器工作正常,测距精度、测距范围等指标满足预期设计,理论设计和实践相符,这对今后同类激光反射器的设计具有借鉴和指导意义。     

HY-2卫星激光反射器理论分析及激光测距实验

激光反射器作为一种被动无源光学合作目标,是人造卫星激光测距系统中的重要组成部分。对于运行在低轨卫星中的激光反射器,既要在较大的激光入射角范围提供服务,又要将角反射器阵列结构所引入的综合测距误差控制在一定范围内,以保证高精度的激光测距,因此绝大多数采用半球形阵列结构。文中以我国海洋二号卫星激光反射器为例,对半球形激光反射器的远场衍射分布、相对有效反射面积分布、距离更正误差分布和激光测距综合精度等核心技术参数进行理论分析。并以国内流动式卫星激光测距系统TROS1000对海洋二号卫星激光反射器进行追踪和激光测距实验,测量结果表明,激光测距内符合精度为1.1 cm,理论分析与实测结果相符。标志着海洋二号卫星激光反射器性能优良,这对以后激光卫星反射器的设计具有指导意义。     

角反射器合作目标的远场衍射能量分布理论分析

本文对角反射器合作目标的一般特性进行了简要的介绍;分析讨论了角反射器的远场能量分布;着重讨论了角误差对远场能量分布的影响。可作为设计角反射器的依据。     

具有面形误差的角反射器反射特性研究

通过采用矢量光学和光线追迹算法来建立具有面形误差角反射器的几何光路模型,可以得到各种面形误差、不同入射角和不同底面切割形状的有效反射面积;通过蒙特卡洛法对夫琅禾费衍射进行模拟,可以得到角反射器的远场衍射能量分布模型。针对三角形切割的球面面形误差的角反射器,介绍了角反射器内部光线路径和蒙特卡洛衍射,给出了具有不同球面面形误差的有效反射面积和衍射分布。以上分析手段可以为特殊用途角反射器、相位补偿和光行差角补偿等方案提供结构设计、优化和校验。     

角反射器的试验和分析

本文叙述了标定的两面角为90°0′1.5″的角反射器的制造试验和分析,及确定激光地球动力学卫星所要求的远场衍射花样环带中的回波能量。对两面角、光学表面和热环境改变时的性能作了估价。当忽略高度独立的轴向和径向灵敏度时,发现由预期热环境所产生的变化是微不足道的。但是,解析预示和测量结果之间尚存在明显的差别。     

区域观测卫星激光反射器有效反射面积的设计

卫星激光反射器阵列结构决定有效反射面积分布,进而影响激光回波强度。在某些小型卫星应用中,地面台站只需对卫星局部天区过境观测,但激光反射器需数十平方厘米的有效反射面积,且对质量和尺寸有限制,需合理设计激光反射器阵列排布指向以满足大的有效反射面积应用需求。推导了不同指向角反射器有效反射面积计算模型,并以某一局部天区观测的低轨卫星激光反射器为例,给出了有效反射面积的仿真结果,并进行了实验室测试。结果表明,局部天区观测卫星激光反射器的有效反射面积设计与测试结果相符,为区域观测卫星激光反射器应用奠定了基础。     

中心波长及脉宽对能量叠加光束远场的影响

多束激光的远场叠加对于提高远场靶面能量是一种有效的方法,单元光束的参数的变化对于远场合成光束都会产生影响。为了分析脉冲激光参数控制对远场能量分布的影响,利用夫琅禾费衍射积分公式导出了4束普通脉冲高斯光束合成的远场光强的解析式,并整理了激光中心波长和脉宽的改变对远场叠加后能量分布的影响之间的具体关系。通过MATLAB的数值模拟,结果表明:当光束的中心波长减小或者脉冲宽度减小时,远场能量向中心轴上汇聚,远场轴上光强增加。当轴上光强相对于理想中心波长和脉宽的远场轴上光强的变化率小于5%,中心波长变化率最大不能超过7.89%,或者脉宽变化率最大不能超过91%,因此,中心波长的变化对于远场光强分布的影响比脉宽更大。     

光纤激光器空间相干合束远场特性分析

基于Fraunhofer标量衍射理论,计算了按圆周形排列的6束光纤激光相干合束的远场光强分布,并对其能量集中程度进行了讨论。分析表明合成光束的远场光强分布可等效于若干平面波干涉结果与单束衍射包络之积,当单元激光器所排列的圆周直径在5倍单元激光束腰宽度以下的时候,合成光束将有超过90%的能量落在单元光束的86.5%能量圆以内。结论指出适当选择单元激光器的排列间距可以控制能量的集中程度,甚至使合成光束的能量集中度优于原单元激光器产生的高斯光束。     

激光对天基红外系统预警卫星光电探测器的干扰效能研究

从分析预警卫星光电探测系统入手,在介绍了激光干扰光电探测器机理的基础上,研究了激光在大气传输中的衰减效应及远场激光光斑尺寸估算,建立了激光辐照星载光电探测器的远场能量密度模型,并以1.06μm激光辐照星载HgCdTe探测器为例,通过仿真计算,定量地评估了激光武器对天基红外系统预警卫星光电探测器的干扰效能。     

弱磁场中向列相液晶TEB30A薄膜自衍射现象研究

采用1.5 mW低功率的He-Ne激光(632.8 nm)正入射向列相液晶TEB30A薄膜,研究向列相液晶TEB30A薄膜在不同强度的弱磁场(0、0.4649、0.5062和0.5185 T)中的远场衍射特性。实验结果表明,向列相液晶TEB30A薄膜在4种不同强度的弱磁场(0,0.4649,0.5062和0.5185 T)中都能产生远场衍射。衍射图样会随磁场强度的增加而发生明显的变化。衍射环的数目增加,衍射环宽度变宽,衍射场向外拓展。当磁场强度为0.5062 T时,衍射环上出现了近似相互平行的干涉直条纹。当磁场强度达到0.5185 T时,干涉直条纹更加明显的趋于平行。在弱磁场的作用下,激光束在远场的散度变得明显。基于Kirchhoff-Fraunhofer衍射积分原理的理论模拟结果表明,当激光通过处在弱磁场中的向列相液晶TEB30A薄膜时,横向非线性相移会增大。随着弱磁场强度由0 T增加到0.5185 T,非线性相移也由4 π增加到20 π。弱磁场引起样品非线性相移增大,导致其远场衍射图样发生了变化。远场衍射光强图样的变化也是透射光能量分布的改变,因此,可将弱磁场调控向列相液晶这一技术应用于磁控光开关及光限幅等领域。     

规律性圆环测量中光电探测器的选型研究

采用可见光面阵CCD测量激光的远场能量分布时,在其光敏面上观察到了规律性圆环条纹的出现。为了精确测量圆环的能量分布和条纹间距,分析其形成机理,依据光的干涉和衍射理论,研究了面阵CCD主要参数的选取。研究结果表明:CCD的分辨率主要取决于衍射效应的条纹间距,动态范围取决于衍射条纹的级次,而最低照度由入射激光的功率和作用距离决定。研究成果可为分析规律性圆环条纹的形成机理提供技术支持和有益参考。     

中波红外激光器的近场远场测试方法及应用

高重频3~5 m中波红外固体激光器由于其多方面的潜在应用而受到了广泛的重视。但该波段激光器输出具有较大的技术难度并且人眼不可见,因此对于此种激光器的近远场测试方法的报道很少。文中首先简要介绍此类激光器的产生原理,然后对激光器近场参数进行了详细测试。最后,在室外180 m距离上通过单点探测器采样进行了中波红外激光器的远场绝对功率密度测量,并与Fresnel衍射积分的理论结果进行了对比。理论和实验结果表明,此激光器波长为3.9 m,具有高平均功率和高重频的特点,功率不稳定度为10%。远场测试结果和理论计算都表明此激光器在远场具有准高斯的光强分布。考虑大气影响,测试得到远场平均能量密度为6.367 nJ/cm2,比大气经验模型计算的结果大1.3倍。该研究将对测试中波红外激光器的参数提供有益的参考,并对此激光器圆场探测器干扰阈值评估具有一定的借鉴作用。     

电激励重频HF激光器非稳腔设计及实验研究

为实现电激励重频HF激光远距离传输,在较短的谐振腔内产生大模体积的高质量激光束,开展了激光器正支虚共焦非稳腔的结构设计、仿真计算和实验研究。仿真结果表明,随着放大率M的增大,远场光斑中心亮斑包含的能量逐渐增大,能量向中心转移,远场光斑尺寸和远场发散角也随放大率M增大而减小。实验结果表明:随着放大率M的增大,远场光强分布、光斑尺寸和发散角变化规律与仿真结果一致,但输出激光能量以先增大后降低的规律变化。综合考虑高光束质量和高能量的指标要求,在流场正常工作情况下,当放大率M为3.0时,获得了远场发散角为2.37倍衍射极限和激光能量稍低于稳定腔（约为稳定腔激光能量的94.6%）的重频激光输出,满足激光远距离传输需求。     

激光重频对脉冲非稳腔TEA CO2激光远场传输特性的影响分析

为了研究TEA CO2激光重复频率对远场光束特性的影响,首先采用有限元方法计算了不同重复频率下反射镜的温度场和热变形分布,然后采用协方差矩阵法对镜面热变形进行了Zernike拟合,最后结合衍射的角谱传播理论和功率谱反演法分析了不同重频TEA CO2激光经过内光路热畸变作用后的远场光束特性。研究表明:在净吸收能量相同的情况下,随着重复频率的增大,反射镜的温度逐渐升高,热变形量逐渐增大,经过内光路热畸变作用后,远场光束的Sr和平均能量密度Ed逐渐减小,参数逐渐增大,光束质量逐渐变差;对于TEA CO2激光,重频为300 Hz的Ed值仅为10 Hz的40%,远场光束的峰值光强下降了43%,光斑展宽了近60%。文中的研究结果为TEA CO2激光发射系统的优化设计提供可靠的依据。     

阵列光束的偏振方向对其相干合成远场光强分布的影响

理论推导了线偏振光纤激光器阵列相干合成远场光强分布的表达式,详细研究了激光器的偏振方向对相干合成远场图样分布、中心主瓣的角宽度以及相干合成远场条纹可见度的影响.阵列光束偏振方向的不一致会使相干合成远场光强的峰值功率下降,中心主瓣的宽度增加,远场光强分布有本底漂移,远场条纹可见度下降.