基于涡旋光源和相位优化的中继镜系统上行链路光束传输缩比实验研究

激光中继镜技术是一项备受各方瞩目的新型系统作战概念。光束在上行链路传输过程中,接收望远镜的截断和次镜的阻挡导致了严重的能量损耗,降低了中继镜系统的性能。涡旋光源和相位优化是提升激光中继镜系统上行链路能量效率的有效方法之一。以光源口径为1.2 m,上行传输距离为30 km,上行接收望远镜外径为1.2 m,内径为0.24 m的中继镜系统为原型,搭建了相同菲涅耳数的中继镜系统光束上行传输缩比实验装置,通过液晶空间光调制器反射调制NdYVO4光源的方法产生涡旋光源,并由随机并行梯度下降算法优化涡旋光源相位分布,开展了中继镜系统上行链路光束传输缩比实验研究。实验结果表明,通过采用涡旋光源和相位优化,中继镜系统上行链路能量效率得到了显著提高,由71.89％提升至91.59％。     

矢量多高斯-谢尔模型光束在大气湍流中上行链路中的传输特性

为了有效地提高星地激光通信系统的通信性能,从推广的惠更斯-菲涅耳衍射原理出发,系统研究了矢量多高斯-谢尔模型光束在上行链路中的传输特性。研究结果表明,改变光束的横向相干长度能有效地改变其远场光强分布和大气湍流引起的光束展宽。另外,大气湍流会改变矢量多高斯光束的偏振度,但是在远场其偏振度会趋于一个固定值。该研究结果对星地激光通信等有着潜在的应用价值。     

受遮挡贝塞尔-高斯光束在湍流大气传输的M2因子

为了研究受遮挡贝塞尔-高斯光束在湍流大气中传输时质量因子的特性,基于拓展的惠更斯-菲涅耳原理和维格纳分布函数的二阶矩定义,经理论推导得出受遮挡贝塞尔-高斯光束的解析表达式,并进行了相应的数值计算。结果表明,当遮挡物尺寸不大于0.4倍的腰宽时,受遮挡贝塞尔-高斯光束在湍流大气中的传输质量因子随传播距离、湍流大气结构常数的增大而增大,随着湍流内标量、光束拓扑荷数的增大而减小。在相同条件下,光束的传输质量因子随着遮挡物尺寸的增大而增大。所得结论对实际激光传输和自由空间光通信有一定的参考价值。     

基于相干合成的中继镜系统光束上行传输分析

建立了以相干光束阵列作为光源的中继镜系统模型,光源相位分布由随机并行梯度下降算法优化控制;定义了上行接收光束强度分布不均匀影响因子并分析了上行传输过程的评价函数;在H-V5/7模型大气湍流条件下分别计算了以相干光束阵列作为光源和以平台截断光束作为光源的中继镜系统的上行传输效能。结果显示,利用随机并行梯度算法控制多光束相干合成实现中继镜系统光束上行传输,系统上行传输能量耦合效率和上行接收光束强度均匀性均得到了有效的提高。对10 km上行传输过程,系统评价函数由0.6730提升至0.8838;对30 km上行传输过程,系统评价函数由0.4266提升至0.8560。     

海上厄米-高斯光束激光大气传输特性

为了研究大气传输效虚对海上激光远场光强分布的影响,以厄米-高斯(H-G)光束的传输为例,建立了激光到达接收面的光强分布模型.根据广义惠更斯-菲涅耳原理,对TEM00模和TEM10模光束在不同大气折射率结构常数、传输距离和传输激光波长条件下的光强分布特性进行数值模拟.结果表明,在确定了大气传输效应的参量和光束参量之后,就可以判断出激光远场光强分布特性.     

湍流介质对激光瞄准测试系统的偏差影响分析

用波长1.06 μm的YAG晶体激光器作为激光光轴指示器,设计一套远距离激光瞄准测试系统,在外场环境下进行大量实验,采集了不同距离、不同时段的光斑变化数据.在对光斑数据进行图像处理以及统计分析的基础上,通过分析不同时段光斑偏移标准差,研究了光束在3 km范围内不同距离的偏移情况.同时,基于推广的惠更斯-菲涅耳原理和实测的现场气象数据,分析了湍流效应对传输光束相干性的影响.结果表明:大气的湍流效应以及相干性变化都会影响到光束的传输特性.结合实验得到的标准差曲线对统计模型进行修正,可为提高激光测试系统的瞄准精度提供依据.     

湍流对相干合成与非相干合成远场光束质量的影响

根据广义惠更斯-菲涅耳原理,对相干合成和非相干合成光束在湍流大气中的传输进行数值计算,并引入光束传输因子(BPF)用于评价合成光束的光束质量,对湍流大气对相干合成与非相干合成远场光束质量的影响进行定量分析.研究结果表明,在自由空间及强度较弱的湍流大气中传输时,相干合成光束在远场呈现多旁瓣的非高斯分布特征,与非相干合成光束相比具有峰值强度高的优势.但是随着湍流强度的增大,相干合成光束之间的相干性被破坏,相干合成光束的远场光强分布逐渐演化成与非相干合成的情形一致.定量计算结果表明,对于不同波长、不同数目的激光阵列,在较强的湍流大气中传输时,相干合成的光束质量与非相干合成光束质量相比均不占优势.计算模型和结果为工程实际中合成方案的选择和评估提供了参考.     

有振幅调制和位相畸变激光通过空间滤波器的传输

用广义惠更斯-菲涅耳衍射积分和统计光学方法对有振幅调制和位相畸变激光通过空间滤波器的传输特性作了详细研究.并对空间滤波器中滤波小孔最佳尺寸的选取条件进行了讨论.数值计算结果表明,最佳滤波小孔尺寸与系统菲涅耳数、光束截断参数以及光束的位相畸变参数等有关.     

湍流大气激光传输数值模拟

介绍了大气湍流的统计特性、基本模型.利用SVS-Fortran的Ran(I)产生的随机数序列作为随机变量,客观地描述实际大气湍流的随机过程,经快速傅里叶变换和滤波建立了替代水平湍流大气的等效模型,并根据大气折射率功率密度谱的卡尔曼谱模型,采用广义惠更斯-菲涅耳衍射积分算法,通过快速傅里叶变换(FFT)和逆变换(IFFT)实现激光的湍流大气传输过程的模拟.结果表明,随机相位屏产生的附加相位反映了大气结构参数的性能,验证了模型的正确性.     

斜程大气传输激光束的平均光强与短期光束扩展

基于广义惠更斯-菲涅耳原理、修正von Karman 湍谱、贝塞耳权重函数的高斯函数近似和误差小于4%的波结构函数平方近似，研究得出了包含湍流尺度影响的湍流大气中传输高斯光束的平均光强新关系和包含湍流外尺度影响的光束短期扩展因子。研究了高斯光束等效半径与传输距离、初始光束束径和光波波长间的关系，结果表明，在给定折射率结构参量和传输距离情况下，存在极小短期光束扩展对应的特征初始束径和特征光波波长。     

战术激光中继镜系统

激光中继镜技术将激光源与光束控制部分离,降低了大气等因素对激光性能的影响.介绍了激光中继镜的概念及工作过程,分析了战术激光中继镜系统的优势与面临的技术挑战,最后介绍了美国中继镜技术的发展概况.     

孔径匹配对中继镜系统上行传输影响的模拟与分析

利用激光大气传输四维程序,建立了双望远镜中继镜系统上行传输模型,研究了孔径匹配对中继镜系统上行传输的影响。选择去除畸变相位后的接收光场的远场峰值功率密度作为中继镜系统上行传输的性能指标,通过光束在真空中传输的计算,得到了接收口径一定时不同发射口径对应的最优发射焦距,并对不同发射功率激光在大气中上行传输的情况进行了模拟计算。结果表明,当接收孔径一定时,随着发射孔径的增大,最优发射焦距减小;增大发射孔径,可以增大临界发射功率;当发射功率较小时,在一定发射口径范围内,发射口径的变化对中继镜系统上行传输的性能指标影响不大,当发射功率较大时,增大发射口径可以有效提高中继镜系统上行传输的性能指标。     

部分相干平顶高斯光束的传输特性

本文采用Huygens-Fresnel衍射积分公式导出了部分相干平顶高斯光束（PCFGB）经过ABCD光学系统传输公式;进一步导出了采用二阶矩定义的等效束宽和Kurtosis因子的传输公式;利用导出的公式计算了PCFGB在自由空间中的传输特性,并和相干平顶高斯光束（FGB）的传输特性作了比较分析。结果表明,PCFGB在传输过程中其光强分布的平顶部分不会消退,而且它的平顶化程度越来越,但其束宽迅速增大。     

高功率激光自由空间传输调制特性的数值研究

利用快速双克尔变换算法研究了高功率激光在自由空间传输过程中形成低频调制的规律,给出了衍射调制深度与光速宽度及传输距离等参数之间的变化关系。对选择传输参数提供了参考依据。     

激光中继镜系统的上行传输光束整形

激光中继镜技术是近年来备受瞩目的一项新技术,能量耦合效率是中继镜系统的关键因素之一.中继镜系统采用双望远镜结构实现光束上行传输与接收,光束上行传输过程中,由于衍射作用造成中心能量聚集和光斑扩展,且由于接收望远镜次镜的阻挡和主镜接收口径有限,造成系统能量严重损耗.文中建立了双望远镜系统模型,通过控制优化出射光场的相位分布...     

部分相干平顶高斯光束通过透镜的聚焦特性

利用惠更斯-菲涅尔衍射积分公式导出了部分相干平顶高斯光束(PCFGB)经过ABCD光学系统的传输公式.进一步导出了PCFGB经透镜聚焦后的任意z处、焦面处、聚焦场轴上的光强分布公式和等效束宽传输公式,并进行数值计算及分析.研究结果表明,PCFGB经透镜聚焦后的传输过程中,光强分布的平顶部分不会消退,并随着阶数N增加和菲涅耳数Nw减小,等效束宽增大,平顶化程度越好;任意z截平面处的光强和焦移量与阶数N无关,但随Nw的增加,其光强成倍增大、焦移量却减小.     

3kW射频板条CO2激光器抛物面非稳波导腔研究

为了提高传统球面镜腔3kW射频板条CO2激光器光束质量,设计了新型抛物面镜负支非稳-波导混合腔;结合标量光束的瑞利-索末菲衍射理论与特征向量法,研究了大菲涅耳数下镜面类型对非稳波导混合腔光场传输特性的影响;利用矩形波导理论、1维近似分析得出了波导传输损耗及偏振情况。结果表明,将非稳方向输出镜和尾镜改为与光轴交点处曲率半径为R1=951.32mm和R2=1088.68mm的抛物镜面,能够避免尾镜漏光,可有效改善模式鉴别特性;常用波导电极镀膜材料中,镀铝电极内波导方向传输损耗最小,传输光场为x偏振的EH1模。采用电极镀铝的抛物面非稳波导腔能够降低损耗、提升光束质量。     

球差透镜对超高斯光束光束质量影响的研究

根据束宽的传输方程,采用双曲线拟合的方法,计算了超高斯光束通过球差透镜后的M2因子。同时还研究有球差的超高斯光束在透镜几何焦面和实际焦面上的桶中功率(PIB)。以M2因子和PIB作为光束质量评价的参数,进行了详细的数值计算来说明球差对超高斯光束光束质量的影响,并与有球差的高斯光束做了比较。得出了一些有实际应用意义的结果。