湍流大气中聚焦高斯光束焦移的数值模拟分析

湍流大气不仅使在其中传输的聚焦高斯光束的束腰处光斑发生扩展,也使光束的束腰位置发生移动。采用不均匀分布相屏的傅立叶变换法数值模拟了湍流对聚焦高斯光束束腰位置的影响,发现在湍流大气中传输的聚焦光束不再聚焦在真空传输的焦点处,焦点的移动与湍流强度和初始光束半径有关。数值模拟结果表明:聚焦高斯束在均匀湍流强度的水平路径传输上传输时,湍流将导致光束的焦点向发射点移动,而且焦移的幅度随着湍流强度的增大而增大;在同等强度湍流大气中传输的聚焦高斯光束,其焦点前移的幅度将随着光束半径的增大而减小。     

湍流大气中聚焦高斯光束焦移的数值模拟分析

湍流大气不仅使在其中传输的聚焦高斯光束的束腰处光斑发生扩展，也使光束的束腰位置发生移动。采用不均匀分布相屏的傅立叶变换法数值模拟了湍流对聚焦高斯光束束腰位置的影响，发现在湍流大气中传输的聚焦光束不再聚焦在真空传输的焦点处，焦点的移动与湍流强度和初始光束半径有关。数值模拟结果表明：聚焦高斯在均匀湍流强度的水平路径传输上传输时，湍流将导致光束的焦点向发射点移动，而且焦移的幅度随着湍流强度的增大而增大；在同等强度湍流大气中传输的聚焦高斯光束，其焦点前移的幅度将随着光束半径的增大而减小。     

一维会聚非傍轴高斯光束焦线附近的光场特性

傍轴近似常被用于光束传输理论的表达,数值计算常被用于非傍轴光束的传输特性分析。为了使一维会聚非傍轴高斯光束的传输特性更加简明,本文基于倾斜因子由观察方倾斜角余弦平方根表达的非傍轴衍射积分公式,给出了符合行波场辐射能守恒定律的一维会聚非傍轴高斯光束的焦平面光场分布表达,同时给出了焦点附近一维会聚非傍轴高斯光束的轴上点光强和相位特性表达。当一维会聚非傍轴高斯光束的最大倾斜角远大于高斯光束的远场发散角时,合理的观察方倾斜因子可将高斯光束传输特性从傍轴领域延拓到非傍轴领域。本文阐明了一维会聚非傍轴高斯光束的传输特性,并验证了用观察方倾斜角余弦平方根表达观察方倾斜因子的合理性。     

基于自聚焦平板波导的新型AWG理论研究

研究一种基于自聚焦平板波导的新型直波导阵列波导光栅(AWG).介绍了自聚焦平板波导的结构;用几何光学法分析其光学特性,提出了二维半矢量有限差分光束传输法(SV FD-BPM)模拟光束在0.5节距自聚焦平板波导中先发散后会聚的传输过程,并介绍了这种基于自聚焦平板波导的直波导AWG的工作原理;最后设计了一个1×8的新型直波导AWG并用2D SV FD-BPM对其进行了模拟,模拟结果显示该1×8的新型AWG可以实现信道间隔为3.2nm的解复用功能.     

终端靶场中相位畸变对近场光束质量的影响

终端靶场聚焦系统中的光学元件上存在不可避免的缺陷致使光场波前发生畸变,根据高功率激光装置终端靶场系统中强光束传输的特点,建立了描述光学元件引入的局域相位调制的模型,研究了终端靶场中具有高斯型相位波前畸变的平顶光束经过透镜会聚,并在后续防溅射板等熔石英介质中经历非线性增长的传输演变过程,详细分析了高斯型相位波前畸变、熔石英厚度和透镜焦距对终端靶场聚焦系统中的近场光束质量的影响。结果表明,高斯型波前畸变越严重、熔石英厚度越长、透镜焦距越短,近场光束质量越差,中高频增长越多。     

聚焦平台光束大气传输光束扩展的定标参数分析

建议采用63.2%环围能量半径及其内平均功率密度描述激光器大气传输光斑扩展特性.通过利用数值模拟及实验观测相结合的方法,对聚焦平台光束大气传输线性效应及湍流热晕相互作用引起的光束扩展进行了大量的数值模拟及部分实验研究,建立了描述聚焦平台光束大气传输光束扩展与大气传输特征物理参量的定标关系,从而为激光工程应用的可行性及系统参量的优化设计提供依据.     

利用晶体拼接实现大口径会聚光束三倍频

惯性约束聚变激光驱动器中,熔石英透镜的紫外激光损伤问题一直是限制其负载能力提升的重要因素。对此提出了一种新的大口径光束三倍频构型方案,将三倍频晶体置于聚焦透镜之后,在基频光和倍频光的会聚过程中实现和频。大口径会聚光束的入射角度达36.35 mrad,为满足相位匹配条件,三倍频晶体采用相位匹配接受角度更大、损伤阈值更高的LBO晶体。理论分析表明,3块切割角度不同的LBO晶体拼接即可满足会聚光束相位匹配容忍角的要求。原理性实验也验证了该方案的可行性。该构型不仅能规避熔石英透镜的紫外激光辐照,提升激光驱动器的负载能力,而且能突破LBO晶体的口径受限问题。     

多光束照明方式对平滑光强起伏效果的影响研究

基于多光纤耦合输出半导体激光作为照明光源的主动成像系统比较了多束非相干聚焦光束和准直光束平滑光强起伏的效果,分析了两种光束受湍流引起的光束短期扩展和束心抖动的异同,为多光束照明方式提供了参考。采用相位屏近似方法模拟激光大气传输,模拟结果表明对这种主动成像系统采取准直发射方式可以有效平滑光强起伏,而聚焦发射方式则不能实现此目的。     

光束发射参数对蓝绿激光海洋传输特性的影响

蓝绿激光位于海水低损耗窗口区,由于水体吸收和散射,光束在水下传输将发生时空扩展和波形畸变。基于蒙特卡罗仿真分析 了蓝绿激光海洋传输特性,特别是激光发射参数对接收光场分布的影响。提出通过调节发射端的光束发射参数,对发射光束进行 预聚焦,可在一定程度上抵消水体传输引起的光束扩散影响。分析和仿真结果表明,IB水体中,当预聚焦角度与水体小角度散射 特征值相当时,可在设计汇聚距离前形成一段光束扩散缓慢的平坦传输区域;当预聚焦角度大于小角度散射特征值的2倍时, 可在设计聚焦距离附近形成汇聚效果;预聚焦角度越大,汇聚效果越明显;水体变差时,相应有效汇聚距离变短。研究成果 为调控蓝绿激光信号在海水的传输特性提供了一种新的思路。     

非线性自聚焦介质中光束的非傍轴传输

在标量近似下,将非傍轴项近似等效为四阶空间色散和五阶非线性效应,利用变分法研究了高斯光束的传输特性。结果表明,在非傍轴情形下,高斯光束不会崩塌,而是经历聚焦 -散焦的周期性传输过程;光束初始功率越高,则周期越小。此外,高斯光束的自聚焦过程可以通过改变啁啾参数来控制,正负啁啾分别使光束第一次聚焦的距离缩短和延长,但两者都使光束的聚焦 -散焦的周期增大,而且啁啾值越大,周期也越大     

聚焦光束热晕效应相位补偿定标规律研究

非线性热晕效应对高能激光大气传输有重要的影响,一个可以用来预测和评价高能激光在不同传输条件下自适应光学系统补偿效果的定标规律对实际的工程应用有重要的意义。利用激光大气传输四维仿真程序,通过仿真不同空间带宽的自适应光学系统,在均匀路径下,对不同发射口径、不同传输距离聚焦光束稳态热晕的相位补偿进行了数值计算。结果表明,自适应光学系统空间带宽对聚焦光束热晕效应的相位补偿影响差别不大,使用广义畸变参数N可以较好地定标其相位补偿效果。     

透镜聚焦数控激光切割机聚焦光束方向研究

研究了数控激光切割机在进行金属板切割时激光束经凸透镜聚焦的聚焦光束传播方向的偏转问题。找出了当激光束中心入射线与聚焦镜(凸透镜)光轴异面时影响聚焦光束方向的几个入射物理量,并运用几何光学原理给出了聚焦光束方向与它们之间的关系式,同时提出了一个调节聚焦光束方向并使聚焦光束垂直于待切割板材板面的方法。切割实验表明,在一定的调节范围内,采用此方法可以方便地调整聚焦光束方向。这一方法也适用于其他采用透镜聚焦的激光加工设备,并为此类设备的聚焦光束方向调节设计提供了一个新的选择和依据。     

Quasi-ray Gaussian beam algorithm for time-harmonic two-dimensionalscattering by moderately rough interfaces

Gabor-based Gaussian beam (GB) algorithms, in conjunction with the complex source point (CSP) method for generating beam-like wave objects, have found application in a variety of high-frequency wave propagation and diffraction scenarios. Of special interest for efficient numerical implementation is the noncollimated narrow-waisted species of GB, which reduces the computationally intensive complex ray tracing for collimated GB propagation and scattering to quasi-real ray tracing, without the failure of strictly real ray field algorithms in caustic and other transition regions. The Gabor-based narrow-waisted CSP-GB method has been applied previously to two-dimensional (2-D) propagation from extended nonfocused and focused aperture distributions through arbitrarily curved 2-D layered environments. In this 2-D study the method is applied to aperture-excited field scattering from, and transmission through, a moderately rough interface between two dielectric media. It is shown that the algorithm produces accurate and computationally efficient solutions for this complex propagation environment, over a range of calibrated combinations of the problem parameters. One of the potential uses of the algorithm is as an efficient forward solver for inverse problems concerned with profile and object reconstruction     

非均匀步长分步傅里叶算法的改进

研究了大气湍流中斜程路径上激光波束的传输模拟过程中的步长取值问题。针对分步傅里叶算法中大步长情况下的边界反射问题,首先对已有的吸收边界法进行了数值实验,得到了吸收边界法的步长取值上限。提出了滤波函数法,进一步解放了对步长的限制,利用真空中的波束传输模拟,证明了滤波函数法的有效性及其有效区域。结合这两种方法,给出了一种斜程路径上的相位屏设置方式,模拟了激光在此路径上的传输并统计计算了激光光斑的相干长度和闪烁指数。数值结果与理论吻合,证明了滤波函数法可以有效地增大分步算法中步长的上限,从而提升大气湍流中激光波束远距离斜程传输仿真效率。     

A hybrid (parabolic equation)-(Gaussian beam) algorithm for wavepropagation through large inhomogeneous regions

The wide-angle split-step parabolic equation (PE) algorithm is used to model electromagnetic wave propagation over general inhomogeneous terrain up to a height h. The PE-computed fields at h are then projected onto a complete Gabor basis from which we effect Gaussian beam propagation at altitudes greater than h. The Gaussian beams can be propagated through general inhomogeneous media, devoid of failures at caustics and shadow boundaries (as befalls ray tracing). The accuracy of the Gaussian beam algorithm is demonstrated via two realistic examples: (1) low-frequency (HF) ionospheric propagation with application to over-the-horizon radar and (2) near-grazing high-frequency propagation for communication or surveillance applications. In the context of these examples, we discuss relevant numerical issues associated with the hybrid algorithm from which general advantages and disadvantages are addressed     

基于高斯光束与射线追踪的短波波场计算算法

短波通信中几何光学理论难以计算焦散波场的传播问题,提出一种基于高斯光束的短波传播计算算法.首先,采用高斯光束法将产生高频波场的波源分解为若干个高斯光束;然后,通过射线追踪法与拉格朗日公式计算每个高斯光束,通过沿光束中心射线的ODE(常微分方程)计算曲率与光束宽度等定量;最终,采用泰勒展开式决定中心射线附近光束的贡献度,将接收点附近的高斯光束进行加权求和,获得接收端的波场.实验结果表明,本算法可有效地计算焦散的短波传播,并且与几何光学法的误差极为接近.     

基于涡旋光源和相位优化的中继镜系统上行链路光束传输缩比实验研究

激光中继镜技术是一项备受各方瞩目的新型系统作战概念。光束在上行链路传输过程中,接收望远镜的截断和次镜的阻挡导致了严重的能量损耗,降低了中继镜系统的性能。涡旋光源和相位优化是提升激光中继镜系统上行链路能量效率的有效方法之一。以光源口径为1.2 m,上行传输距离为30 km,上行接收望远镜外径为1.2 m,内径为0.24 m的中继镜系统为原型,搭建了相同菲涅耳数的中继镜系统光束上行传输缩比实验装置,通过液晶空间光调制器反射调制NdYVO4光源的方法产生涡旋光源,并由随机并行梯度下降算法优化涡旋光源相位分布,开展了中继镜系统上行链路光束传输缩比实验研究。实验结果表明,通过采用涡旋光源和相位优化,中继镜系统上行链路能量效率得到了显著提高,由71.89％提升至91.59％。     

Space-charge waves of periodic-electrostatically focused electron beams

Space-charge wave propagation for periodic-electrostatically focused electron beams with nonuniform radial beam density distributions is the subject of this paper. The dispersion equation is obtained by solving a differential equation for the ac electric potential inside the electron beam and by matching the solution at the boundaries. An approximate analytic solution and a digital computer treatment are described. The reduced plasma frequency obtained is expressed in terms of the focusing parameters and is compared with that of a Brillouin beam. A study of the differential equation involved suggests that there are certain ranges of system parameters ("forbidden" zones) for which no wave propagation is possible, that is, no space-charge mode can be supported there.     

AGSM光束的聚焦

基于有扭曲的各向异性高斯-谢尔模型(AGSM)光束二阶矩矩阵的传输公式,研究了AGSM光束通过透镜的聚焦。作了详细的数值计算,说明聚焦AGSM光束的传输特性,包括光束参数和横向光强的变化,特别是扭曲项和空间相关长度对聚焦特性的影响。     

Finite element beam propagation method for three-dimensionaloptical waveguide structures

A beam propagation method (BPM) based on the finite element method (FEM) is described for longitudinally varying three-dimensional (3-D) optical waveguides. In order to avoid nonphysical reflections from the computational window edges, the transparent boundary condition is introduced. The present algorithm using the Pade approximation is, to our knowledge, the first wide-angle finite element beam propagation method for 3-D waveguide structures. To show the validity and usefulness of this approach, numerical results are shown for Gaussian-beam excitation of a straight rib waveguide and guided-mode propagation in a Y-branching rib waveguide