CCD光电响应非线性特性对激光远场焦斑测量及光束质量计算的影响

建立圆环形聚焦平面光束通过Kolmogorov湍流大气的远场传输模型,考虑实际CCD所存在的"死区"及非线性饱和效应等非线性光电响应特征,以中心遮拦比为0.5的圆环形聚焦光束为例,分别计算了其通过不同强度湍流大气传播至远场焦平面上的实际真实远场光强分布曲线和CCD测量远场光强分布曲线,并以峰值斯特雷尔比RS、光束质量因子β和环围能量比Ree三种参数作为评价远场光斑质量的指标,考察了死区大小以及光斑非线性饱和程度对实际远场光强分布的测量和光束质量评估的影响,对计算结果以及减小测量误差的解决途径进行了分析讨论。     

CCD光电响应非线性特性对高功率激光光束质量评价的影响

对利用电荷耦合器件(CCD)测量高能激光系统近远场能量分布时,CCD光电响应非线性特性对光束质量评价的影响进行分析计算。提出了一种基于单缝衍射的CCD光电响应标定方法,完成对某CCD的标定工作。利用该标定结果分别对理论模拟及实际系统下的近远场能量分布进行灰度修复,考察灰度修复对近场填充因子(FF)及远场环围能量分布的影响。对实际光束的修复结果表明,经过灰度修复的近场填充因子会提高1%~2%,对远场评价基本无影响。     

激光束质量实时测量技术

提出一种新型光束质量实时测量技术,该技术主要基于由平板反射镜组成的多平面成像系统,一次性将激光束腰附近2倍瑞利距离内的多个光斑成像在同一个平面上,用CCD相机获取这些光斑的光强分布图样。通过图像处理获知接收到的光斑的光强分布。采用远场发散角、焦点尺寸、桶中功率比和M2因子四种光束质量评价标准对激光光束质量进行评价。利用该方法实时测量了高能钕玻璃双板条激光器的输出光束。     

激光光束质量综合评价的探讨

综述了现有的3类激光光束质量评价方法,即近场质量、远场质量和传输质量.主要的评价参数包括近场调制度和对比度、聚焦光斑尺寸、远场发散角、衍射极限倍数β因子、斯特列尔比、环围能量比以及M2因子等.讨论了它们各自的适用范围、优点和局限性.提出了采用M2因子矩阵以表述光束的像散特性,给出了M2因子的不变量.     

聚焦高斯光束在湍流大气中的远场传输及相位补偿效果

从广义惠更斯-菲涅耳原理出发,将残留相位结构函数方法引入到计算部分相位补偿光束通过湍流大气的传播问题中,计算圆孔截断聚焦高斯光束通过不同强度湍流大气的传播后,传输系统的调制传递函数以及远场光强的分布,采用接收面峰值斯特雷尔比作为衡量相位补偿效果的指标,考察前若干低阶泽尼克像差校正对远场光斑质量的改善效果,并与相应文献的计算结果进行了比较,发现新方法得出的计算曲线与该文献的曲线基本吻合,而且新方法在计算复杂性方面优于该文献的方法。对计算结果进行了分析讨论。     

固体激光远场瞬时光斑时空分布测量技术

基于漫透射CCD成像法原理,建立了固体激光瞬时光斑时空分布测量系统。开展了该测量方法的可行性验证实验,能够精确地获得激光远场光斑图像,并运用Matlab软件对测量数据进行处理,得到激光远场光斑半径、光束质量、质心位置、光轴抖动、光强分布以及平均功率密度等参数。实验结果表明:利用漫透射CCD成像法测量固体激光远场瞬时光斑时空分布是可行的,测试系统采集频率可达120 Hz。该方法具有高分辨率、高帧频、低成本、使用方便的突出优点,能同时实现激光强度分布和功率的测量,测量功率误差小于2%。     

远场激光光斑探测与图像能量分布显示

在外场试验中,远场激光光斑探测和光斑图像能量分布是试验测试难点,针对这两个问题提出了全新的光斑探测手段和图像显示方法。通过对光斑探测技术研究,根据不同的应用背景要求,提出了全新的外触发同步光斑探测控制方式,来提高对光斑图像的测量精度和激光照射器的目标指向精度。在光斑图像显示方面,通过对光斑图像处理技术研究,进一步提高对图像参数解算和光斑图像的三维能量分布显示能力,为激光照射器光束质量分析提供参考。     

矩形光束合成的建模与实验验证

光束合成是高功率固体激光器进一步发展的必由途径.板条的激光介质产生的矩形光束通过阵列合成能实现较高的近场光斑填充因子,有利于提高远场光束的能量集中度,从而获得更好的光束质量.根据激光器远场光束的测量方式,利用光束传输变换规律,建立矩形光斑双束合成的理论模型.通过数值模拟,在相干、非相干条件等典型情况下得到的子束合成不同...     

CCD的非线性响应特性对光束质量测量的影响及修正

在利用电荷耦合器件CCD对激光光束质量测量的过程中,通过对比不同的激光波长,分析了CCD的光电响应非线性特性对光束质量M2因子评价的影响。由于对未进行线性标定的CCD所测得的四种不同波长的激光器的光束束宽值相对比较大,这会对激光光束质量的测量精度带来影响,因此提出了一种新的基于面阵型光电探测器的光电响应标定方法。搭建基于CCD测量法的激光光束质量测量系统,建立高斯型激光光束的近远场传输模型,对激光束在传输方向上不同位置处的焦散廓形进行多次采样,利用统计学方法得到CCD的光电响应线性区间。仿真和实验结果表明:利用CCD光电响应特性的标定结果对图像进行非线性灰度修正,对比国际标准激光光束质量分析仪,所测得的激光光束质量M2因子更加准确且相对误差降低了2.36%。提出的方法可有效提高激光光束质量M2因子的测量精度,对于评价激光光束质量具有重要的应用价值。     

基于小波变换的分层阈值去噪算法研究

在研究各种软硬阈值噪声滤除方法的基础上,考虑到噪声能量在不同尺度、不同方向上的高频系数分布不同,提出了一种基于非线性小波变换的分层阈值去噪方法。该方法与全局阈值去噪相比较,具有更好的视觉效果和更高的峰值信噪比。文章方法与全局软硬阈值去噪处理的峰值信噪比和均方误差进行对比,可以看出,文章方法具有更好的去噪效果。     

湍流强度对激光大气传输及其自适应光学校正的影响

利用激光大气传输及其相位校正四维程序,计算了不同的发射和传输条件对平台聚焦光束水平大气传输及其自适应光学校正的影响。结果表明：自适应光学系统开环时,在弱湍流效应条件下,以D／r0为特征参量可以很好地表征湍流效应的强弱,SR值满足关系式SR=exp[-0．2（D／r0）^2],不考虑系统像差时,光束质量因子满足关系式β2=1＋1．2（D／r0）^2;随着湍流强度或传输距离的增加,要考虑闪烁效应和相位不连续性对光束质量的影响,以D／r0为特征参量就不足以表征湍流效应的强弱。另外,对于不同的发射和传输条件,自适应光学系统对激光大气传输的校正范围是不同的,且存在一阈值,条件不同其阈值是不同的。     

环形光束大气传输数值模拟与分析

为了研究大气湍流对环形光束激光工程应用的影响,采用多相位屏数值模拟的方法对环形光束在大气湍流中的传输进行了仿真模拟。通过改变大气湍流强度、传输距离等参数,定量计算了不同传输条件下质心漂移均方根、远场目标的焦平面平均功率密度,给出环形光束传输路径上特征距离解析式并分析了大气湍流对环形光束远场平均光强分布的影响。结果表明,环形光束在大气湍流中传输时光斑质心漂移随湍流效应（湍流强度或传播距离）增强而增大,远场光束质量随遮拦比增大而降低。遮拦比小于0.5时,大气湍流对光束质量的影响较为明显。环形光束大气传输数值模拟方法,可为高能激光武器等激光工程应用的理论分析和效能评估提供依据。     

远场激光光斑图像处理方法研究

常用的基于高斯光束特性的激光光斑图像处理算法,处理远场光斑图像会丢失部分能量较低的光斑数据,致使处理出的光斑能量密度低端精度不能达到0.01J/cm2的需求。为了得到更精确的远场激光光斑数据信息,提出了基于噪声特性的激光光斑图像自动阈值处理算法。该算法在分析系统噪声特性的基础上,依据3原则确定图像提取阈值进行光斑图像处理。通过试验验证了该算法既能够有效抑制系统噪声,又能够改善光斑图像的处理质量,恢复光斑图像丢失的数据信息,使光斑能量密度低端达到探测需求。结果表明,基于噪声特性的光斑图像处理算法能够有效提高远场激光光斑的处理精度,更适用于远场激光光斑图像的处理。     

强激光输出窗口热行为对光束质量的影响

为了研究强激光输出窗口热行为对光束质量的影响,从Strehl比的普遍公式出发,推导出热变形情况下考虑材料折射率温度效应的Strehl比计算公式和远场强度分布公式。计算并分析了蓝宝石、石英、单晶硅组成的窗口镜的热变形对光束质量的影响。激光功率越高,引起的窗口的热变形越显著,使得Strehl比和远场归一化强度越低,因而光束质量越差;在考虑到材料折射率的温度效应时,在相同的激光辐射条件下,蓝宝石的Strehl比随激光功率的变化较平缓。结果表明,高功率激光器的窗口热变形及其基片材料折射率的温度效应对远场光束质量具有较大的影响。     

COIL光束填充因子F的实验研究

采用CCD阵列测量技术,设计了对非稳腔、高遮拦比的COIL激光填充因子F的测量系统,利用两台光束质量分析仪同时测量了激光近场和远场光斑,通过Matlab软件对光束质量分析仪所测数据进行处理,给出光束填充因子。在与测得的光束质量数据进行对比后表明,填充因子F与光束质量存在一定的关系,F值越大,光束质量越好。     

湍流大气中准直激光束的Strehl比与锐度

利用数值方法研究了各种起伏条件下湍流大气中准直激光束的短曝光光斑特征，分析了Strehl比、能量Strehl比、峰值Strehl比和锐度(Sharpness)的统计特征，探讨了它们描述光斑质量的适用性。结果表明，能量strehl比适于描述光斑的整体集中质量，而锐度能很好地反映局域内能量集中程度，可作为描述短曝光光斑质量的评价参量。不同光传播起伏条件下湍流大气中准直激光束的短曝光光斑的统计特征表明，湍流有助于提高准直光束的局域能量集中程度。     

Nonlinear analysis of Y-junction laser arrays

An analysis of Y-junction arrays above threshold is presented. The analysis incorporates nonlinear gain saturation and shows that the gain becomes nonuniform above threshold even if the array is otherwise ideal. The nonuniform, nonlinear gain saturation causes the near field and the radiation patterns to deteriorate with increasing output power. Although the far-field lobe width does not necessarily increase greatly above threshold, the Strehl ratio may decrease significantly depending on the device design. Empirically, it is found that, when the Strehl ratio decreases to approximately 0.7, the second-order array mode attains threshold and both the first and second array modes lase simultaneously. An improved design, whose far-field Strehl ratio remains 0.85 even well in excess of 1 W output power and in which the second-order array mode never attains threshold, is discussed