激光脉冲水下传输时域展宽的蒙特卡罗模拟

建立蒙特卡罗模型模拟光子的水下传输,研究了激光脉冲水下传输后时间扩展特性,分析了传输距离、光接收面尺寸等系统参数以及海水介质不对称因子、海水有效衰减系数等水质条件对脉冲时间扩展特性的影响,模拟结果表明:传输距离越大,激光脉冲的时间宽度越宽;光接收面积越大,脉冲时间扩展越严重;海水的前向散射性越强,脉冲的时间宽度越窄;海...     

复杂水质条件下蓝绿激光通信传输特性研究

由于水下通信信道的复杂性,水下激光通信面临功率衰减和通信距离受限的问题。论文采用蒙特卡洛方法建立了水下高斯光束传输仿真模型,基于该模型重点研究了海水类型、衰减系数、传输距离、接收孔径对接收光功率衰减的影响规律。结果表明：在纯净海水、远海海水、沿岸海水和港口海水中,随着海水浑浊程度的增加,仿真得到的有效传输距离减少,光功率衰减增加;在文中设定的海水衰减系数下,当海水的吸收系数大于散射系数时,有效传输距离减少,光功率衰减增加;当接收孔径小于光束直径时,接收光功率随接收孔径的增加而增加,当接收孔径大于光束直径时,接收光功率不再随接收孔径的增加而变化。     

激光光束在海水中的空间传输特性分析

由于激光的初始发散角以及海水对光的散射作用,激光在水下传输时光斑大小发生改变,从而影响接收机的接收范围。采用波长为514 nm的蓝绿激光,基于水下无线光通信信道模型,模拟光子在海水中的传输过程,通过统计不同传输距离时的光子数和光子位置,建立了海水信道中的光斑扩展模型,分析了海水水质对高斯光束的光斑空间特性的影响。结果表明:高斯光束在海水信道中传输时,根据光强比值定义光斑大小的位置,1/e光斑半径与传输距离呈线性关系,线性增加系数为光源的发散半角;当接收机灵敏度为确定值时,传输较短距离后光斑逐渐减小;光斑大小由接收机灵敏度决定,随着接收机灵敏度的增加,在相同距离下,接收到的光斑大小基本呈线性增加。     

水下无线光信号的时域展宽特性分析

光信号在海水信道中传输时,受其散射影响导致多径传输,使接收到的信号发生时域展宽。分析了水下无线光传输的散射特性,利用蒙特卡洛统计方法,仿真了激光冲激信号在近海海水中的时域展宽特性;通过拟合不同脉宽的光信号,得到了近海海水中无线光传输的时域展宽模型。结果表明,在近海中冲激信号的时域展宽随传输距离的增加而快速增加,在一定范围内为高斯函数,且近海中光信号的传输距离与传输速率呈指数衰减的关系。     

尾流气泡对脉冲激光时间展宽的研究

为了研究气泡对激光的时间展宽问题,采用米氏光散射理论,对气泡的光散射特性以及多次散射效应进行了理论分析,并开展了实验研究,得到了气泡在不同距离时后向光散射信号波形。结果表明,气泡对激光脉冲的传输有明显的影响,导致了脉冲激光在时间上的展宽,信号展宽的宽度随距离近似呈二次曲线变化。     

高非线性光子晶体光纤中超连续谱产生的特性研究

利用数值方法求解广义非线性薛定谔方程,数值模拟了光脉冲在高非线性光子晶体光纤正常色散区超连续谱产生的演化,研究和分析了脉冲参数如峰值功率,脉冲宽度及初始频率啁啾对超连续谱形成的影响.结果表明,当脉冲峰值功率一定时,随着传输距离增大,超连续谱随之愈宽,平坦度愈好;随着脉冲峰值功率逐渐增大,超连续谱随之更宽,平坦度有所劣化.相反,脉冲宽度逐渐增大,超连续谱展宽范围减小,其平坦度也逐渐劣化;具有适当的正负啁啾脉冲,在高非线性光子晶体光纤传输中获得宽而平坦超连续谱.     

蒙特卡洛仿真的水下激光通信信道特性

针对海洋激光通信信道复杂多变的问题,利用理论分析和蒙特卡洛模拟方法详细研究了水下光通信链路的信道特性。采用波长为532 nm的蓝绿激光,分析了典型海水中的信道脉冲响应,研究了接收光强与海水类型、衰减长度、发散角、波束宽度、接收视角及孔径等重要参数的关系,并通过蒙特卡洛仿真实验进行验证。理论分析与仿真结果表明:清澈海域中,传输距离40 m时,可认为无码间干扰信道,接收端不需要复杂的信号处理算法;但在海港浑浊海域,时延扩展随着接收视角和发散角的增大而增大,从而降低信道的传输效率。当衰减长度小于等于漫射长度时,接收光强随接收孔径的增大而减小;但当衰减长度大于漫射长度时,接收光强随着接收视角的增大呈现先增后恒的趋势。因此,研究结果将对建立准确的水下无线光通信信道模型具有重要的参考价值。     

基于微气泡散射的水下无线光通信复合信道建模

海浪、船舶尾流以及海洋生物游动与呼吸等原因会导致海水中存在大量的气泡,气泡群带来的散射效应对光信号的水下传输具有重要影响,但典型的水下无线光通信信道模型一般不考虑气泡群带来的负面效应。为了进一步完善传统的水下无线光通信信道模型,本文利用Mie散射理论分析海水中的微气泡及微气泡群光散射特性,基于蒙特卡洛法建立包含气泡散射的复合海水信道模型,分析不同海水水质、气泡密度、链路距离等参数条件下接收端的光学特性和信号特性。结果表明:当链路距离为5m时,随着气泡密度的增大,接收端光斑的弥散程度加剧,其面积可增至初始大小的3～5倍,中心能量也显著降低,最多可降至最大值的05;当链路距离为10～40m时,气泡群的存在以及链路距离的增长会导致接收端第一次接收到光子的时间延长约10～200ns,且使脉冲展宽值增大;当链路距离为2～10m时,气泡群密度的增大最多可使归一化接收功率降低至初始值的0004,但随着水质的恶化,其他粒子含量提高,气泡群对接收功率的影响逐渐减小。该研究可以为水下无线光通信系统的设计和理论分析提供参考。     

水导激光技术中水-光耦合传能规律研究

水-光耦合传输效率是实现水导激光可加工性的前提与效率保证。为了研究水导激光中水-光耦合传能规律, 得到较高的水束中激光功率传输效率和均匀的激光功率密度分布, 采用光线追迹原理及物理光学传播方法, 仿真分析了1064nm激光束聚焦后的光束特性及水-光耦合后水束中激光光斑分布形态, 并对不同水束长度下激光功率传输效率, 以及不同功率、压力和水束长度下激光功率密度分布情况进行了系统的实验检测分析。结果表明, 随着水束长度的减小, 1064nm激光在水束中功率传输效率越高, 在水束长度为20mm时, 激光功率传输效率可达63.6%;激光功率的变化对水束中激光功率密度分布影响最大; 当激光功率不变时, 在水束稳定长度范围内水压的增大有利于水束中激光功率密度均匀化分布, 而耦合水束长度的减小可以提高激光传输效率。研究结果为提高水导激光中能量利用率有一定的指导意义。     

激光深熔焊接过程中小孔径向尺寸及其动特性

通过对小孔同轴视觉图像的处理提取出小孔径向尺寸，研究了小孔径向尺寸随焊接规范参量变化的动特性。研究结果表明，小孔径向尺寸在工件未焊透时随激光功率的增大而增大，在焊透时小孔径向尺寸随激光功率的变化较小；随着焊接速度的增加，小孔的径向宽度逐渐减小，而其长度有一个先减小后增大再减小的波动过程；离焦量在一定的范围内，在足够高的激光能量密度下，激光辐照范围的增大使得小孔径向尺寸与激光光斑同步变化。     

910 nm高峰值功率垂直腔面发射激光光源

报道了910 nm高峰值功率垂直腔面发射半导体激光器列阵(Vertical Cavity Surface Emitting Laser,VCSEL)的设计方法及测试结果.所制备的910 nm VCSEL列阵在准连续工作时激光功率达到2 W;在重复频率10 kHz,脉冲宽度30 ns,工作电流60 A的电脉冲驱动条件下,VCSEL列阵峰值输出功率达到25.5 W.随着工作电流的增加,VCSEL列阵输出的激光光谱呈现明显办展宽现象,证实VCSEL列阵即使在窄脉冲工作时大的电流驱动仍然会产生严重的内部热效应;VCSEL列阵输出激光的光脉冲波形在驱动电流增大至60 A时脉宽仅展宽了6 ns左右,证实VCSEL阵列具有非常优越的脉冲响应特性.对VCSEL列阵进行光束准直处理后,在1 m距离处得到了近圆形的均匀光斑.我们相信这种高功率的910 nm面阵光源在未来汽车光探测测距(LiDAR)等智能驾驶领域具有很大的应用潜力.     

准相位匹配晶体中超短脉冲传输的自聚焦效应

建立了超短激光脉冲在准相位匹配晶体中传输的物理模型,并对修正后的非线性薛定谔方程进行了数值求解,获得了飞秒激光脉冲在周期极化铌酸锂晶体中传输的时空演化过程。模拟结果发现当入射基频光功率超过晶体自聚焦的临界功率时,发生自聚焦过程。自聚焦效应使激光脉冲在时域上产生分裂和在空间上发生聚焦。脉冲宽度随着传输距离的增加而逐渐减小,焦点处脉冲宽度最小;脉冲在空间上被聚焦,聚焦半径随着传输距离的增加而逐渐减小,焦点处半径最小,经过焦点后发散;脉冲峰值强度在焦点处最强,经过焦点后峰值强度逐渐降低。超短脉冲倍频过程中,自聚焦效应限制了准相位匹配晶体的长度。     

高空湍流影响下航空激光传输性能分析

采用“Clear 1”折射率起伏湍流模型对高空大气湍流进行描述,通过仿真建立了高空湍流信道气动光学效应影响模型,分析了光斑尺寸与飞行高度、激光波长、传输距离的关系;研究了gamma-gamma大气湍流信道下光强闪烁因子随接收孔径尺寸、飞行参数的变化特征。结果表明:①光斑尺寸受气动光学影响而增大,低空传输条件下光斑尺寸大于高空;②光斑尺寸随波长增加而增大;在相同条件下,波长为800 nm激光的光斑尺寸受气动光学影响最大;③闪烁指数仅与接收孔径大小有关,并随着传输距离的增大而逐渐增加,当闪烁指数超过1,其增加幅度降低并逐渐达到最大值。     

全光逻辑异或门相位差特性研究

为了改善全光逻辑门的相位差特性,对全光逻辑异或门的相位差进行了研究。采用细化分段模型对量子点半导体光放大器的动态过程进行建模,利用牛顿法和4阶龙格-库塔法求解三能级跃迁速率方程以及光场传输方程,实现了基于量子点半导体光放大器马赫-曾德尔干涉仪结构的全光逻辑异或门;研究了有源区长度、最大模式增益、输入抽运光功率以及输入抽运光脉冲宽度对通过干涉仪两臂探测光相位差的影响,同时讨论了探测光的相位差与输出光功率的关系。结果表明,增大有源区长度、最大模式增益以及输入抽运光功率,均能使探测光相位差增大;随着抽运光脉冲宽度增大,探测光相位差先增大而后趋于平缓,之后不断减小;有源区长度为2.0mm、最大模式增益为3000m-1、输入抽运光功率为5dBm、抽运光脉冲宽度为1.0ps时,最大相位差增加至0.3277π;随着探测光相位差增大,输出光功率增大;通过优化参量可以增大探测光的相位差,而输出光功率会随着探测光相位差的增大而增大。该研究为提高转换信号质量提供了参考。     

无节点反谐振空芯光纤1064nm高功率皮秒脉冲传输

本文报道了利用自制低损耗、无节点反谐振空芯光纤传输高功率1064 nm皮秒脉冲激光的研究。光纤包层由7根平均壁厚为700 nm的细玻璃管组成,纤芯直径为42μm,外径为175μm。选择脉冲宽度为15 ps且重复频率可调谐的高功率激光器作为实验光源。使用不同长度的光纤进行了传输测试,测试结果表明：当输入单脉冲能量为403μJ、平均功率为40.3 W、峰值功率为26.8 MW的激光时,最高可实现370μJ的高能量激光输出,传输效率高达91.8%。分析了超短脉冲经过不同长度光纤后时域和频域的变化情况,结果表明：当光纤长度为1 m时,脉冲保持无畸变传输,光谱发生轻微变形;当光纤长度增长至3.3 m时,由于非线性效应的影响,脉冲宽度展宽至26 ps,光谱展宽至70 nm。本研究表明无节点反谐振空芯光纤有望在超短脉冲激光的传输应用领域发挥重要作用。     

薄板AZ31B镁合金脉冲Nd:YAG固体激光焊接工艺研究

利用500W脉冲Nd:YAG固体激光对2mm厚的AZ31B变形镁合金的焊接工艺进行了研究.结果发现,平均功率和脉冲宽度相同时,熔深熔宽随着脉冲频率的增大而减小;平均功率和脉冲频率相同时,峰值功率和脉冲宽度是影响焊缝几何尺寸的主要参数;脉冲频率和脉冲宽度相同时,熔深熔宽随着平均功率、峰值功率和单脉冲能量的增大而增加;在相同的平均功率、峰值功率和占空比下,脉冲宽度是影响焊缝几何尺寸的主要参数,峰值功率较高时,大的脉冲频率导致大量飞溅的产生,增加了熔池的不稳定性;脉冲激光焊接镁合金时应遵循较大脉宽、低频率、中等峰值功率的原则.     

啁啾指数脉冲的非线性传输研究

数值研究了初始线性啁啾指数光脉冲在单模光纤反常色散区的非线性传输特性,并将这种特性与双曲正割脉冲的相关特性作了比较.脉冲振幅A=1时,负啁啾对脉冲时域宽度展宽的影响比正啁啾大;指数脉冲受啁啾影响比双曲正割脉冲更敏感.A＞1.2时,脉宽在演化过程中呈周期性衰减振荡,振荡周期和振幅随啁啾|C|(|C|≤2)的增大而增大,最后能演化成光孤子.脉冲演化成光孤子所需的最小振幅A比啁啾双曲正割脉冲的大.     

飞秒脉冲在高非线性光纤中产生超连续谱的特性研究

采用分步傅里叶方法,对飞秒脉冲在高非线性光纤中超连续谱的形成过程进行了研究,分析了脉冲峰值功率,脉冲宽度及初始频率啁啾对超连续谱特性的影响.结果表明,脉冲峰值功率、脉冲宽度以及初始啁啾对超连续谱的形成有着极其重要的影响;当脉冲峰值功率逐渐增大,超连续谱随之愈宽(-20dB处谱宽从170nm展宽到400nm以上),平坦度愈好.与之相反,脉冲宽度逐渐增大,超连续谱展宽范围减小,其平坦度也逐渐劣化;初始负啁啾有利于脉冲SC谱的展宽而正啁啾使脉冲SC谱的展宽受到一定抑制.进一步研究表明,适当的峰值功率超短啁啾脉冲在高非线性光纤传输时,得到没有泵浦成份残余的超宽且平坦超连续谱.     

紫外激光探测灰霾的后向散射回波特性

为了研究紫外激光探测灰霾的后向散射特性,基于Mie散射理论和蒙特卡洛方法,建立紫外激光后向散射探测灰霾模型,仿真灰霾条件下紫外激光的后向散射过程,并分析了不同宽度紫外激光脉冲后向散射回波的峰值功率、波峰时延和半高全宽等特征。研究结果表明,在一定灰霾浓度范围内,灰霾浓度越低,发射脉冲越窄时,激光回波畸变越明显,当发射脉冲宽度大于10 ns,激光回波近似呈高斯分布;在发射脉冲宽度相同的条件下,激光回波峰值功率和回波波峰时延随着灰霾浓度的增大而增大,回波半高全宽随着灰霾浓度的增大而减小,当发射脉冲宽度大于32 ns,回波峰值功率趋于平缓。文中研究成果可为紫外激光探测灰霾浓度及分析灰霾后向散射激光回波特性提供依据。     

低功率光脉冲在均匀周期结构中的慢光传输

为了研究低功率信号光脉冲在均匀周期结构阻带外沿且紧靠阻带的传输特性,采用数值求解非线性薛定谔方程的方法,进行了理论分析,给出了脉冲宽度、峰值功率与传输距离的关系曲线和在不同频率失谐量下的脉冲慢光延迟特性.结果表明,脉冲波形在传输过程中将经历剧烈的演变过程,当给予入射脉冲合适的初始预啁啾参量时,可以得到与入射脉冲具有相当峰值功率的输出脉冲.这一结果对实验研究低功率信号脉冲在均匀周期结构阻带外沿且紧靠阻带的慢光传输特性具有重要的理论参考价值.