宏-微脉冲激光激发钠信标回波光子数的数值模拟

宽带、圆偏振的宏-微脉冲激光能够有效地激发大气中间层钠原子,为自适应光学波前探测提供较多的回波光子数。在二能级光学Bloch方程的基础上,考虑不同大气湍流模式下激光光强在大气中间层的分布,通过数值模拟的方法,计算三种大气湍流模式下的钠信标回波光子数,然后根据经验确定大气相干长度的范围,估算宏-微脉冲激发钠信标回波光子数的平均值,所得的平均值与实验测量值比较接近。由于宏-微脉冲激光与钠原子作用可以忽略反冲、下抽运、地磁场等因素的影响,因此可以用计算有效截面的方法估算钠信标回波光子数。但是由于这种方法没有考虑激光的偏振态、光束质量因子以及光强的随机分布对钠原子激发态概率的影响,导致计算结果偏小。     

钠信标测光理论与实验研究

钠信标激光器与钠原子间的耦合效率是其性能评价的核心指标之一,为对钠信标激光器的激发效率实现精确测量,在云南丽江1.8 m望远镜上搭建了一套完整的激光钠信标测光系统,该系统由钠信标激光器、激光中继光路和激光发射望远镜、钠信标接收望远镜、钠原子激光雷达、大气视宁度测量仪等组成。自2011年以来利用该系统对中国科学院理化技术研究所20 W级百微秒脉冲激光器所产生的钠信标进行了相应的测量标定,成功得到了半高全宽最小为3'（对应到90 km高度处为1.3 m）的钠信标图像,并测量了在不同的出光功率、偏振状态和中心波长下钠信标的回光结果。实验中分析了滤光片、CCD量子效率曲线等在对钠信标测光时的影响,对所产生的钠信标回波光子数进行了精确标定,并提出了一种钠信标V星等的计算方法;在19 W出光功率,圆偏光状态下获得了最亮的钠信标,其在大气层上空的光子数流量为9.55106 photonss-1m-2,对应7.4 V星等。     

基于微扰法研究涡旋光束在大气中传输的热晕效应

基于一阶微扰法,推导了涡旋光束在大气中传输 的稳态热晕解析表达式,并得到了由 热晕引起的涡旋光束的相位畸变表达式。通过数值模拟涡旋光束在大气中传输的光强等值线 分布,详细分析了传输距离、初始功率、横向风速、大气吸收系数和初始半径对涡旋光束热 晕的影响。研究结果表明,在其他参数不变的情况下,单一增大涡旋光束的初始功率、传输 距离和大气吸收系数,热晕效应会增强;相反,单一增大初始半径和横向风速反而会减小热 晕效应。在有风的情况下,由于热晕作用,涡旋光束会向来风方向偏折,峰值强度发生移动 ,形成不对称的分布,且涡旋光束在沿风向和垂直风向的相位变化有所不同。所得结果对高 功率激光在大气传输中的应用与高能激光器的发展具有重要的指导意义。     

多高斯关联扭曲光束在GRIN光纤中的轨道角动量演化

轨道角动量(orbital angular momentum, OAM)的引入丰富了光通信领域内的调制维度,为寻找更高效快捷的通信方式提供了新思路,相较于传统携带涡旋相位的涡旋光束,部分相干扭曲光束携带的OAM性质更为复杂。本文针对椭圆多高斯关联扭曲光束在梯度折射率(gradient-index, GRIN)光纤中的OAM传输,基于GRIN光纤的ABCD光学传输矩阵,着重分析了多高斯关联扭曲光束在GRIN光纤传输的OAM的传输演化特性。研究结果表明,光束的光强、OAM通量密度以及归一化OAM通量密度在光纤传输过程中均呈现周期性变化,通过对关联结构以及扭曲因子的调控不仅可以改变光束OAM通量密度的分布,还可以调控单光子携带OAM的大小。本文的研究有助于丰富扭曲部分相干光束在GRIN光纤中传输的理论结果,在光纤通信中具有潜在的应用前景。     

高能激光大气传输性能评估技术

激光在实际大气中的传输效果不仅与其自身传输机理有关,还与大气因素密切相关,因此,准确评估激光大气传输的效果,不仅需要开展激光传输机理的研究,建立激光大气传输数理模型,还需要对实际传输过程中的大气光学特性进行测量、分析和预测。鉴于实际大气环境的复杂性及多因素耦合的制约,激光大气传输的机理研究大都采用大气参数可控的物理实验平台和数值仿真软件平台进行研究,而大气光学特性的研究则在大量实地测量分析的基础上,重点发展基于物理相关性分析和数学模型构建的光学湍流模式化表征研究。简要介绍了国内外高能激光大气传输性能评估技术的发展情况,面向高能激光系统未来的实际应用,指出了其发展趋势。     

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.     

湍流谱中高频"泵浦"对激光大气传输影响的数值模拟研究

当湍流不稳定时,在折射率谱的高频端会出现特殊的能量注入而形成狭窄的高频"泵浦(bump)",结构.采用数值模拟的方法研究分析了该高频bump结构的性质及其对激光大气传输的影响.数值模拟结果表明:高频bump的存在使得光强起伏功率谱的高频端出现了尖峰结构并伴有次频成分;随着折射率谱中bump强度的增大,光强起伏功率谱的高频端渐渐偏离-8/3幂律而下降速度减慢;高频bump还使得光束发生扩展,光束有效半径随bump强度的增大而先增大后减小最后趋于一稳定值,光束有效半径随bump宽度的增大而增大,最大的光束有效半径可以达到不存在bump时光束有效半径的数倍.     

激光钠信标光斑漂移和光斑半径的数值模拟与分析

激光钠信标的光斑漂移、光斑半径的变化对自适应光学校正有直接的影响。在激光钠信标光斑漂移方差和有效半径理论模型的基础上,采用数值模拟的方法,在三种大气湍流模式下,具体研究了激光钠信标光斑与激光光斑漂移方差和有效半径的差异,计算了不同发射口径时激光钠信标光斑的长曝光与短曝光有效半径的平均值,分析了有再泵浦能量激光对激发钠信标光斑漂移方差和平均有效半径的影响。研究结果表明,大气湍流强度、激光发射口径以及再泵浦激光能量都能够影响激光钠信标光斑漂移和光斑半径。     

瞄准轴和发射轴平行度误差对探测率的影响

分析了在大气湍流影响下,目标激光光斑的功率密度及质心的分布情况,说明了目标激光光斑的功率密度分布的随机性。分别从目标大小不小于或者小于激光光斑两种情况建立了激光测距装备接收功率模型。在此基础上,重点讨论了发射轴和瞄准轴的平行度误差对探测率的影响,给出了探测率随平行度误差变化的曲线,得出了探测率只与平行度误差的大小有关,与偏差的方向无关的结论。