He-Ne激光束远场发散角的精确测量及误差分析

首先利用远场光斑测量法,测得GY-10型He-Ne激光器的远场发散角为1.15mrad.接着,根据高斯光束对望远镜系统变换,通过两个望远镜实现He-Ne激光束的准直,得到水平方向的远场发散角75.78 μrad,垂直方向76.53 μrad.最后,对实验中存在的误差分析可知,可用多次测量求平均值的方法消除误差;准直望远镜系统的微小失调可引起出射激光束远场发散角有较大的变化;测量系统中需使用长焦距的凹面镜.     

光纤技术在光路自动准直中的应用

光路自动准直系统用于惯性约束聚变的高功率激光装置的光束精密自动准直调整.针对神光Ⅲ原型装置四程放大光路对自动准直系统的调整时间和调整精度的要求,考虑到光路总体结构的要求,利用光纤像传递和光纤耦合技术,结合近场远场像传递原理,使用插入式光纤点光源实现了后腔镜的准直调整,充分考虑了四程放大的光路像传递特点,设计出一套优化合理的四程放大准直方案,并且在神光Ⅲ原型装置模拟实验平台上得到了充分的验证和考核.实验结果表明光路自动准直系统能够在15 min之内顺利完成系统的光路调整,光束近场调整精度优于近场光斑的±0.5%,光束远场调整精度≤±0.3",满足了原型装置总体的要求.     

探测器动态范围对光束质量β因子测量的影响分析

结合高能激光束硬边光阑发射时远场的分布特性,对探测器动态范围在光束质量β因子测量中的影响进行了理论分析.对近衍射极限光束质量测量不同动态范围探测器的影响进行了数值计算,根据计算测试误差给出了探测器动态范围的最低推荐值.实验验证模拟结果的正确性.     

大功率TEA CO2 激光远场发散角评估方法

在大功率激光远距离定向传输中,远场发散角是衡量其性能的一个重要参量。大功率TEA CO2激光具有功率高、光束直径大等特点,常规手段无法准确测量其远场发散角。为解决该难题,提出了一种利用激光光斑尺寸拟合分析法来评估大功率TEA CO2激光的远场发散角。首先,从理论上推导大Fresnel数多模高斯激光束远场发散角,分析了影响激光束发散角的主要因素;然后,采用光斑烧蚀法试验测量近场(20 m)光斑数据,基于光束质量(M2)因子理论拟合得出了激光光束质量和束腰大小,从而推导出激光束远场发散角;最后,对比分析了以上两种方法的计算结果,讨论了结果存在偏差的原因。结果表明,近场光斑数据拟合法可准确、便捷地测量大功率TEA CO2激光束远场发散角。     

微弧度量级远场发散角光束发射系统的设计与实现

建立了发射光束通过带有波像差的望远镜系统后的远场光斑分布数学模型,采用数值计算,结合Monte Carlo方法分析了波像差方均根(RMS)值对发射光束远场发散角的影响,据此确定望远镜波像差的容差,以实现特定发射光束的远场发散角。结果表明:对于采用偏轴发射方案的激光通信系统,当望远镜的波像差RMS值优于0.13λ(λ为光束的波长)时,发射光束远场发散角小于10μrad,当RMS值小于0.2λ时,发射光束远场发散角小于16.2μrad,且仍有60%的概率小于10μrad。在实验室中,不同温度下望远镜波像差及其对应的发射光束远场发散角的测试结果很好地验证了以上分析结果。     

回波信号积分法统计光束偏移误差

激光瞄准系统主要存在的瞄准误差是偏移误差和抖动误差,解决好这两种误差可以使光束能够准确瞄准目标物体,并且在传输过程中减少信号的损失.介绍了一种新的光束瞄准技术,该方法建立在光束远场光强的高斯分布和光束抖动的高斯分布基础上,利用回波信号的统计得到视轴的偏差,精度可以达到5μrad,而且不需要目标自身返回瞄准信息,也无须对目标进行扫描,试验成功验证了这种方法的可行性.     

基于以太网的自动准直系统研究

自动准直系统是确保高功率激光驱动器高效、安全、可靠运行的重要子系统之一,同时也是保证光束质量的主要手段。通过构建以太局域网并使用高性能的数字网络CCD来完成图像的获取和传输,直接将光束图像转换成数字信号并通过以太网输出,实现了光束近远场图像的网络化处理;引入高斯平滑滤波算法来提高光束近远场图像处理的误差计算精度,同时将模糊算法运用到步进电机调整过程中,使得系统准直时间大幅缩短。通过在神光II第九路装置上进行实验验证,表明系统能在5min之内顺利完成全部调整工作,其近远场图像获取和处理精度均可达1pixel。     

稳态热晕对激光束大气传输特性的影响

利用稳态热晕条件下的高斯光束的光强分布模型,数值分析了无风和有风两种情况下稳态热晕效应引起的光束畸变。在无风情况下,分析了热晕对不同传输距离、不同初始功率的激光束能量分布的影响;在有风情况下,分析了热晕对近场和远场激光束的影响,分析了不同横向风速对光束畸变的影响。     

激光非均匀性和内光路热效应对远场特性的影响

高功率高能激光在光束控制系统(或称为内光路)中的传输距离比长程大气传输要短得多，但高功率密度的激光束在通过内光路时的热效应对远场光束质量会有显著影响。采用自编的四维仿真程序，详细计算了沿x方向呈线性变化的环状高功率激光束通过内光路的传输。用像散参数、桶中功率(PIB)和峰值光强位置描述了远场光束质量。研究表明，内光路的热效应(热晕)使得光束的峰值光强和可聚焦能力下降，降低了远场的光束质量，初始光束的非均匀性会影响光束的可聚焦能力并引起像散。值得指出的是，热晕是一种非线性效应，会影响光强分布和引起远场峰值光强位置的移动，对此给出了物理诠释，并用数值计算证实了物理分析。     

远场激光瞄准过程中光束扩展的影响分析

基于修正的Von Karman湍流谱和Hufnagel-Vally湍流模型上的近似积分理论,结合一种激光光轴瞄准偏差测试系统,利用激光光斑远场实验数据,在一定气象条件下,研究了不同传输距离和波束扩展的变化关系,进而分析了高斯脉冲光束在湍流大气中远场传播时的波束扩展对激光瞄准精度的影响。该研究可为激光光斑瞄准偏差补偿方案的优化设计提供科学依据。     

厄米-高斯光束中带宽对横向强度分布均匀性的影响

使用惠更斯-菲涅耳衍射积分和傅里叶变换,推导了横向模式为厄米-高斯的激光束通过硬边光阑的传输表达式。利用所得公式通过数值计算详细分析了光束的频带宽度对光束横向强度分布的影响。分析发现激光束通过硬边光阑后会出现大量的强度尖峰,引起近场的强度分布不均匀。然而,当带宽增加时,强度尖峰的数量减少,幅度减小,光束的均匀性得到改善。在远场,光束的横向强度分布没有强度尖峰出现,但宽度随带宽的增加而减小。因此带宽增加会带来近场强度匀滑化和远场光束宽度变窄的效应。另外,数值结果表明带宽对模指数为1和2的厄米-高斯光束的强度分布的影响是类似的,均有近场强度匀滑化和远场光束宽度变窄的效应。     

高功率激光束光束质量的数值评价方法

为估计１０＾１２Ｗ高功率激光器的光束质量，本文采用最小二乘法对已重构的波前曲面进行球面拟合，得到相对应的无波像差参考波前。利用无波像差参考波前的曲率半径计算出高功率激光光束的衍射角，由有畸变波前与无波像差参考波前的波像差估算出激光束的Ｓｔｒｅｒｈｌ比，从而给出了评价高功率激光系统光束质量的定量结果。     

含有相位孔径光阑谐振腔的模式及传输特性的数值分析

用菲涅尔衍射积分理论推导了含有相位孔径光阑谐振腔的积分方程，根据FoX-Li迭代原理计算了该胜的模式。对模式的远场及近远场传输特性作了计算，说明M＜1的激光束是由光斑半径定义的不恰当产生的，并非光束质量优于高斯光束（TEM（00））的新光束。惠更斯一菲汉尔衍射原理不需要修正。     

激光跟踪瞄准系统的扩束系统设计

根据远距离激光跟踪瞄准系统对出射激光束的准直要求,设计了一个倍率18的激光扩束系统,系统地介绍了设计方法.按照高斯光束的透镜变换理论,计算了该扩束系统的正确离焦量,分析了系统的焦点偏移量对出射光束束腰位置和束腰半径的影响,指出扩束效率对焦点偏移量非常敏感,预测了精密调焦机构要注意的问题.     

一种新的光热干涉探测技术

提出了一种以样品前后表面反射的探测光束在远场形成干涉为基础的新的光热干涉探测技术.给出了聚焦激光束照射平板样品时两反射光束在远场形成的干涉场光强分布和调制光束加热时的光热干涉信号表达式.光强分布和实验测量结果一致.并以氟铝酸盐玻璃平板为样品进行了光热实验.还讨论了该光热方法作为一种灵敏的检测技术在光学材料特性、弱吸收测量以及微体积痕量分析等方面的应用前景.     

激光中继镜系统的上行光束模拟

介绍了激光中继镜技术的概念和激光中继镜系统的工作过程,分析了该系统的优势和应用范围,建立了激光中继镜系统上行光束模型并近似为一真空远场衍射模型.分析了上行光束的传输方式并计算了理想条件下不同传输距离Z处接收光场H(R)的强度、相位分布以及能量接收效率η与接收望远镜口径R和传输距离之间Z的关系曲线,最后对结果进行了分析.得出在理想情况下,当中继镜系统采用1.5 m口径的望远镜发射和接收波长3.8μm激光束时,随着衍射距离的增加,接收场的衍射远场特性逐步显现,对传输距离在50 km范围内,系统的能量接收效率在85%以上.     

精确瞄准激光束的装置

美帝国家航空和宇宙航行局设计了一种激光束瞄准系统,能使氩激光束对准月球上被照明表面上的特定点。这种系统将准直激光束,并以极高的角跟踪精度,使它射向月球表面上的物体。经修改之后,能用这种系统精确跟踪导弹和卫星。这系统包括一台长焦距反射式望远镜,在望远镜的焦平面上安置了一个分束器。激光束通过一面会聚透镜聚焦到分束器上的一个小孔上,然后通过望远镜射向目标地区。分束器的作用是把出射光束和进来的导引光束(从望远镜来的月光)分开。     

红外激光束经卡塞格伦系统衍射后的远场分布

把卡塞格伦系统等效为圆环光阑,利用高斯光束的贝塞尔级数展开,首次得到了红外激光束经卡塞格伦系统衍射后的远场分布表达式,对所得结果进行了讨论,并和均匀光波场的情形进行了比较。     

激光的参数描述和光束质量

激光光束质量是一个很有现实意义的论题。对实际激光，一方面或多或少存在硬边光阑光学元件影响。另一方面，人们常对远场激光束的可聚焦能力感兴趣。对有光阑情况时光束传输因子(M^2因子)的推广作了讨论。对有代表性的3种方法，即广义截断二阶矩法、渐近分析法和自收敛束宽法及其应用作了分析。引入了桶中功率(PIB)和β参数用以描述远场光束质量。然后，研究了实际应用对激光光束质量的一些要求和相关的评价参数。最后，讨论了复杂的高功率激光系统的全程光束质量控制问题。     

可调谐二极管激光器的远场辐射花样

一种新方法确定可调谐二极管激光器远场空间能量分布只需要3分钟时间.在外差测量系统中,用作本机振荡器的可调谐二极管激光器必须具有窄的高斯辐射输出,使拍频信号具有较窄的带宽.在选择可调谐二极管激光器时,远场分布可以作为一种性能指标.远场花样是利用X-Y记录仪在垂直于激光束的平面内机械扫描探测而获得的(见附图).为了安装探测器并使其无错位地通过光束,对记录仪支架,笔杆和电缆作了改装.