双光路合成系统光束耦合精度研究

为了增加激光干扰系统对抗光电装备的种类,提出了一种高脉冲能量高重复频率混合型激光干扰方法,并介绍了这种激光干扰方法的核心部分一双光路合成系统的工作原理.在此基础上,分析了双光路合成系统中激光发散角、光束传输距离和出射面处光斑中心距离等重要参数与远场光束耦合精度的关系.利用ZEMAX软件对双光路合成系统进行了仿真,将理论分析结果与仿真结果进行比较,两者基本吻合,从而验证了这种理论分析方法的可行性.这一结果为双光路合成系统中重要参数值的设置提供了依据.     

线阵光纤阵列相干合成光束的远场光功率分布

激光相干合成所得光束的远场能量分布直接影响其实际应用。针对基于四芯线阵光纤阵列的激光相干合成研究了远场能量分布。采用高斯分布函数近似描述单模光纤出射光束能量分布,推导合成光束的远场能量分布的一般表达式,用MATLAB进行数值计算,并搭建实际相干合成系统进行测试以验证计算结果。研究结果表明:四芯线性光纤阵列的相干合成光束能量近似高斯分布,横向截面内表现为两两组合所形成的三种周期六种干涉场的叠加。实验结果与理论计算吻合,研究对光纤阵列相干合成光束的远场应用具有指导意义。     

内光路中大气吸收对远场光束质量的影响

采用桶中功率、β参数、像散参数、Strehl比和光束重心位置等参数描述远场光束质量,研究了在内光路中进行气体吸收对远场激光光束质量的影响,并与内光路中有横向吹风存在情况作了比较.用自编四维仿真程序进行了数值计算和物理分析.研究表明,随着吸收系数的减小或风速的增大,远场光束的峰值光强明显增强,可聚焦能力大大提高.但横向吹风会引起像散.     

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。     

双光束光纤激光器相干合成仿真及实验研究

为了研究光纤激光器相干合成,采用光纤激光的相干合成数学模型仿真了双光束光纤激光相干合成的方法,模拟仿真了各类因素条件下高斯光束相干合成的功率分布,分析了不同参量条件下对合成效果的影响,并针对部分仿真结果进行了实验研究。结果表明,双光纤激光空间距离为0mm,光束夹角为0°,偏振方向完全一致时,则相干合成效果最好。     

脉冲半导体激光器光束并合技术研究

为了提高脉冲半导体激光器达到远场的能量密度,提出采用多个脉冲半导体激光器并合的方法来解决。介绍了光束并合的原理,并且就影响光束并合的因素进行了理论分析与推导,然后采用Matlab模拟分析了各个激光器出光时间同步性对光束合成功率密度与脉宽的影响,以及采用Zemax仿真分析了各个激光器间的轴线平行性以及激光器与准直系统间的同轴性对合成光斑质量的影响,最后通过具体的距离选通实验,验证了光束并合是一种有效地图像提高远场能量密度的手段。     

受激拉曼散射对高功率激光传输特性影响研究

研究了高功率光谱组束系统内光路的气体热效应对激光远场光束质量的影响。通过同等功率密度传输的子光束与合成光束的远场光斑分布对比研究,明确了子光束中的受激拉曼散射是造成组束光路气体热效应的主要因素。当拉曼光功率密度仅为180 W/cm~2时,远场光斑即出现了中心强度明显下降、能量分散等劣化状态。研究了激光传输路径长度对气体热效应的影响,当光程从100 mm增加至450 mm时,远场光斑的峰值强度逐渐下降,光斑逐渐变散。通过向密封的组束装置中充入氮气,基本可以消除气体热效应对远场光束质量的影响,可作为一种有效的气体热效应抑制手段。研究成果为光谱组束激光器的光束质量优化提供了有效支撑。     

内光路热效应和像差对远场光束质量的影响

选取桶中功率PIB,Strehl比,β和像散参数wx/wy作为远场光束质量的评价标准,用自编的四维仿真程序就内光路热效应和像差对光束质量的影响作了详细的数值计算和分析。研究表明,离焦、像散和热效应都将导致远场光强分布出现畸变,可聚焦能力降低,光束质量变差。     

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。     

倾斜相差对大阵列光纤相干合成的影响与分析

根据夫琅禾费衍射理论,建立了7路和37路光纤激光相干光束合成(CBC)模型,仿真模拟了不同占空比、不同倾斜角度情况下,合成光束在远场的强度分布和光束质量,分析了倾斜角度、占空比以及合成路数对CBC远场光束质量的影响。仿真结果表明:随着子光束倾斜角度的增大,远场艾里斑内的光强逐渐减小,合成效果变差;随着合成子束的增多,远场桶中功率(PIB)随倾斜角度的增大下降加快,显示出了倾斜相差随合成路数增加具有一定的累积效应,要提高相干合成的效果,必须同时控制倾斜相差和活塞相差。     

畸变光束远场光强叠加特性研究

在远场将阵列激光的光强进行叠加是获取高功率激光输出的一种有效方法,由于激光在传输过程中会产生波前相位畸变,进而导致远场光强分布不匀滑。基于惠更斯-菲涅耳原理,建立了多束具有随机相位畸变的二维矩形阵列高斯光束非相干合成模型。模拟了光强合成过程远场焦斑的质量变化,计算了远场焦斑RMS和PSD与合成光束数量之间的关系。结果表明:光束非相干合成不仅能够有效提高激光的输出功率,还可以使畸变光束合成后的焦斑分布更加匀滑,提高光束的质量。     

相位随机涨落对相干合束条纹对比度的影响

为了研究相位波动对相干合束远场特性的影响,采用傅里叶光学方法和各态历经假说,进行了相干合束远场干涉条纹对比度的理论分析,得到了相干条纹对比度的解析表达式,并数值分析了相位随机涨落对远场干涉条纹对比度的影响。结果表明,相干合束的远场干涉条纹对比度随η的增加而增加,随相位差均方根δφ的增加而减小;在给定η和δφ的情况下,参与相干合束的激光场的个数越多,远场干涉条纹对比度越大。这一结果对理解相干合成的特性具有一定的参考价值。     

光纤激光非相干合成效果分析

为了研究光纤激光的非相干合成特性, 建立了圆环状排布的光纤激光阵列光束合成模型, 模拟分析了单元光束束腰半径w₀、波前畸变和光束间距对非相干及相干合成远场光束质量的影响。讨论了多路激光平行性对非相干合成效果的影响, 并进行了相关实验验证。结果表明, 单元光束无波前畸变时, 当光束间距为d₀=2.8w₀时, 非相干与相干合成光束质量相等; 单元光束存在波前畸变时, 光束间距有所减小, 这是因为波前畸变对非相干合成影响更小; 对于非相干合成, 随着多路激光之间不平行度的增大, 非相干合成光束质量逐渐变差, 并且单元光束质量越好, 对多路激光平行性要求越高。该研究可为实际光纤激光合成系统设计分析提供参考。     

Gaussian Fitting Parameters of the ESA PLANCK HFI Beams

We present Gaussian fitting parameters of simulated beams of the High Frequency Instrument (HFI) of the ESA PLANCK mission. This space probe is designed for measuring the anisotropy of temperature and polarization of the Cosmic Microwave Background (CMB). The six HFI spectral bands cover the frequency range 0.1 - 1 THz with 52 bolometers. Their beams are computed by multi-mode physical optics propagation of the source field from the apertures of the horns simulated by the scattering matrix approach. Computed power patterns are fitted by the elliptical Gaussian beams minimizing the peak difference between the two power distributions within the beam. This approximation is generally considered as acceptable from the scientific viewpoint, although we show that induced errors are far from negligible.     

高斯-谢尔模型光束通过聚焦光学系统的偏振特性

为了研究高斯-谢尔模型光束的偏振特性,采用交叉谱密度矩阵的方法,研究了该光束通过聚焦光学系统的偏振特性,得到了完全偏振和完全非偏振光束保持偏振度不变的条件,并给出了通过聚焦光学系统后传输平面偏振度实现均匀分布的条件。结果表明,聚焦光学系统中偏振度在焦点位置附近有明显的起伏变化;焦点位置上的偏振度等于其在自由空间传输时的远场稳定偏振度。该研究对激光传输领域具有重要的理论和现实意义。     

用双平凸薄透镜组聚焦高斯激光束

为了研究高斯激光束经过一种双平凸薄透镜组构成的复合光学系统的聚焦特性,采用矩阵光学方法,得到了高斯激光束经复合光学系统聚焦后光斑半径和像距的计算公式,结合数值计算分析了系统中各参量的变化对复合光学系统的稳定性和束腰处光斑半径的影响,并进一步讨论了高斯激光束经复合光学系统的聚焦特性。结果表明,通过控制各相关参量的取值,复合光学系统会比较稳定,能够获得较小的光斑半径;并通过实验测量,实现了聚焦半径约为2μm的突破,证明了理论分析的正确性。该研究为全固态激光器进一步的实验设计提供了依据。     

Physical conditions for sources radiating a cosh-Gaussian model beam

Based on the coherence theory of diffracted optical field and the model for partially coherent beams,analytical expressions for the cross-spectral density and the irradiance spectral density in the far zone are derived,respectively.Utilizing the theoretical model of radiation from secondary planar sources,the physical conditions for sources generating a cosh-Gaussian(CHG) beam are investigated.Analytical results demonstrate that the parametric conditions strongly depend on the coherence property of sources.When almost coherence property is satisfied in the source plane,the conditions are the same as those for fundamental Gaussian beams;when partial coherence or almost incoherence property is satisfied in the spatial source plane,the conditions are the same as those for Gaussian-Schell model beams.The results also indicate that the variance of cosine parameters has no influence on the conditions.Our results may provide potential applications for some investigations such as the modulations of cosh-Gaussian beams and the designs of source beam parameters.     

Systematic study of fields due to extended apertures by Gaussianbeam discretization

Gaussian beams are used as basis elements in field representations. To gain insight into how the choice of beam parameters affects the final representation, a systematic study for the simple test case of a one-dimensional linearly phased cosine-aperture distribution has been undertaken. By successively adding individual displaced and/or tilted beams with large, narrow, or matched waists, one can assess how the elements in various portions of the lattice contribute to the build-up of the actual field in the aperture, near zone, and far zone. Adding enough beams always guarantees homing in on the exact solution, as is verified here by independent comparison. Different beam choices imply different modeling of the radiation process. The understanding gained thereby is helpful for selecting beam parameters in subsequent applications where it is necessary to balance requirements of good convergence, ease of computation, and ability to track the beams through perturbing environments like a radome. Indications are that the narrow beams provide the most robust and versatile formulation to deal with these generalized conditions     

混合频率激光对CCD探测器损伤机理

为了进行对CCD探测器的损伤机理的探索研究,提出了采用双光束合成器件产生混合频率激光的原理与方法．利用Zemax软件模拟了双光束合成器件,同时对远场光斑进行了采集．基于热传导和热弹性力学的基本关系式建立了混合频率激光辐CCD探测器遮光铝膜层的热力耦合数学物理模型,对热传导方程和应力平衡方程进行了半解析求解,计算得到混合频率激光辐照CCD探测器的遮光铝膜层的瞬态温度场和环向热应力场,并通过数值仿真比较了不同工作模式激光光源对CCD的损伤效果．     

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。