三维离轴散射探测与定位方法研究

论文在分析激光传输与探测器结构特点的基础上,建立了三维离轴探测模型;计算了球形粒子对高斯光束的散射光强度分布,得到了探测器有效面积上的光通量公式;由于激光主脉冲光束与散射光都以光速传播,不同散射点的散射光到达探测器所需的时间不同,提出了利用延迟时间对三维空间激光进行测量与定位的方法.延迟时间与离轴距离和探测角有关,在远离光源、近轴探测时,延迟时间与离轴垂直距离和探测角呈简单的线性关系,因此,可以通过精确的时间测量,实现对激光的散射探测.     

激光大气散射离轴探测分析

利用Mie散射理论,通过数值计算得到了1.06 μm激光在低空大气中传输时的散射特性;不同尺度参数的粒子的散射光强分布相差极大,随着尺度参数的增加,散射光强越来越集中于前向;复折射率的变化对散射光强影响不大.通过对大气散射的辐照度理论分析和数值计算,得到大气散射的辐照度随离轴距离的增大而近似按反比规律下降的特征;同时,对不同能见度下的散射辐照度进行了数值计算,能见度的不同只影响散射强度的大小,而不影响散射强度的分布.不同散射点的散射光到达探测器所需的时间不同,延迟时间与离轴垂直距离和探测角呈简单的线性关系,这些特征为激光散射离轴探测提供了理论依据和参考.     

圆偏振光和线偏振光散射特性分析与比较

本文对圆偏振态和线偏振态两种光束在激射粒子场散射中的散射特性进行了对比和分析。散射粒子直径分别为：1．24μm、0．494μm、0．36μm、0．123μm、0．065μm。以粒子与水技不同比例混合液，作为散射粒子场．所得结果表明，散射光强度总是相对入射光束的偏振面呈对称分布；散射光强度对散射粒子大小敏感而与入射光偏振态无关；散射光中垂直偏振分量在两种光入射下存在完全不同的状态分布。     

光在纤维介质中传播的研究

利用光线追踪方法在近轴近似下模拟了高斯光束在不同折射率分布纤维状介质中的传播。针对等离子体对激光的导引和离焦现象 ,以及应用激光操纵粒子的空心环状光束产生进行了模型化分析和讨论。     

非球型粒子对激光偏振特性的影响

球形粒子群的偏振散射特性已经通过研究获得,但是真实环境中粒子形状为非球形,非球型粒子的多次散射偏振特性规律尚未得到。基于T矩阵计算方法对非球型粒子散射模型进行了改进,获得了非球型粒子的散射振幅矩阵,对椭球形粒子,圆柱形粒子以及且切比雪夫粒子的偏振特性进行了模拟,分析了不同横纵轴比、形状、波长对粒子偏振特性的影响。研究结果表明:对于椭球形粒子而言,偏心率由2变为3后偏振度最大值从散射角130°变为90°,450、532、671 nm的偏振度分别增大了50%、25%、24%;圆柱粒子长短轴互换对于偏振度的改变影响不大。切比雪夫粒子表面的不规则度由3变为8后,偏振度增大了18%。研究结果为非球型粒子群的多次散射特性提供了理论基础,最终解决了真实环境与理想环境之间的偏振传输特性差异的问题。     

球形粒子的散射特性分析

在Mie散射和瑞利散射理论的基础上 ,模拟了单个粒子的散射图象 ,然后对粒子的散射光强进行了讨论。介绍了粒子的多次散射理论研究动态 ,建立了多次散射的传输方程     

离轴高阶椭圆高斯光束

采用张量方法定义了离轴高阶椭圆高斯光束(DHEGB),通过矢量积分导出了DHEGB经过非轴对称光学系统的传输公式,其在零阶情况下可退化为离轴椭圆高斯光束的传输形式。数值计算和分析了DHEGB在自由空间中的传输特性,进一步研究了以离轴高阶椭圆高斯光束为基模构成的一般激光光束列阵的特性。研究结果表明,DHEGB光斑随着传输距离发生了旋转,传输特性与离轴参数有密切关系。     

非傍轴矢量离轴椭圆高斯光束的矩孔衍射

根据矢量瑞利衍射积分公式,对非傍轴矢量离轴椭圆高斯光束的矩孔衍射进行了系统的研究,给出了矩孔衍射的解析表达式,并将非傍轴矢量离轴椭圆高斯光束矩孔衍射轴上、近场、远场和单缝衍射光场分布,非傍轴离轴矢量高斯光束以及非傍轴矢量高斯光束的自由空间传输作为特例统一于一般表达式中,研究表明,在矩孔衍射中,f参数,截断参数以及相对离轴参数共同决定着光束的非傍轴行为.     

强非局域介质中高斯光束参量演化规律的分析

光束存非局域非线性介质中传输时遵循非局域非线性薛定谔方程（NNLSE）。对应用变分法得到的傍轴高斯光束存强非局域非线性介质中的束宽演化方程进行了简化，消除了由于强非局域非线性介质响应函数作泰勒级数展开产生的势函数假根的影响；求出了傍轴高斯光束各参量的演化表达式。结果表明，傍轴高斯光求存强非局域非线性介质中传输时束宽的近似演化规律为正弦函数和余弦函数，并存在一个临界功率。当初始功率等于临界功率时，可以得到空间光孤子。对于一般情形，束宽作周期性压缩或展宽变化。当束宽比α≤0．3时，所得结果与非局域非线性薛定谔方程的数值解基本一致。     

应用于高能激光系统的发射聚焦装置研究

为了满足当前高能激光系统的工程应用需求,设计了针对高能激光聚焦的发射聚焦装置。首先选取了折反式二级扩束光学系统作为设计模型,然后利用光学设计软件序列模式对光学系统进行了设计优化,获得了平面波光束在不同距离聚焦的设计结果。其次由于平面波光束和高斯光束在调焦量上存在差异,通过矩阵光学理论计算了针对高斯光束聚焦的调焦修正量,并利用光学设计软件非序列模式重构光学系统,并以非相干空间合束的高斯光束作为入射光,进行了高能激光的传输聚焦仿真验证。在系统参数一致的条件下,与常规的离轴反射式光学系统进行对比。对比结果证实了本文设计的光学系统光学性能优良,可满足对入射高能激光在0.5~5 km范围内聚焦,最后开展的样机实验也验证了设计的正确性和合理性。     

离轴球形粒子对高斯波束的散射

本文根据广义米氏理论，将入射高斯波束用矢量球谐函数展开，研究离轴球形粒子的电磁（光）散射。获得波束因子／ｇ表达式和它的局域近似结果，以及散射系数ａｎ和ｂｎ的计算公式。讨论了波束宽度和粒子离轴位置对散射系数、消光系数、散射强度角分布，以及对粒子的内场和表面场分布的影响     

Gaussian beam scattering from a semicircular boss above aconducting plane

Electromagnetic scattering of a Gaussian beam from a semicircular boss which protrudes above a conducting plane is investigated. The theoretical analysis for scattering is based on Kozaki's approximation, which makes it possible to express the Gaussian beam as a product of plane wave and weight function results. The scattered fields are expressed in simple closed forms which are valid when the diameter of the boss is comparable to or less than the Gaussian beamwidth. The numerical computations are performed to find that the angular bistatic RCS (radar cross section) of the Gaussian beam is much broader in scattering pattern than the plane wave case     

基于直边衍射的高斯激光驻波场仿真

为了研究原子光刻实验中基片对汇聚激光场的影响,基于标量光学理论,采用数值计算对直边衍射情况下高斯激光驻波场特性进行了仿真。结果表明,高斯激光的直边衍射效应会呈现与平面光波相似的强度振荡现象,两者直边衍射后的第1个强度突变分别为中轴线强度的1.18倍和1.37倍;随着束腰的增大,高斯激光的衍射越接近平面波;中轴线和基片表面距离会影响高斯激光截面进入直边几何阴影之外的大小;直边衍射后入射波和其经过反射镜作用的反射波相遇叠加在光轴方向上会形成稳定的驻波;这种驻波的强度在垂直光轴截面上呈现一定的衍射特性。该研究有利于理解直边衍射时高斯驻波场形成的实质;并可通过适当的激光参量来调整实验激光驻波场结构。     

等离子体球对离轴高斯波束的电磁散射

基于高斯波束波形因子的局域近似解和电磁场的球矢量波函数展开方法,研究了离轴高斯波束入射均匀各向异性磁化等离子体球的电磁散射特性.数值计算了波束参数和粒子参数对雷达散射截面(RCS)随散射角分布的影响.分析了改变波束束腰半径和粒子偏离波束轴距离时,RCS的分布特点.结果表明:前向散射截面与束腰半径的变化成正比关系;束腰半径的变化对RCS随散射角分布有很大影响;球粒子偏离波束轴距离的大小影响RCS极值的位置和角分布特点.     

激光探测尾流微气泡的偏振特性研究

为了研究尾流中激光照明气泡幕的散射光强度和偏振的特性,利用基于偏振光传输的蒙特卡洛模型,对偏振激光入射含气泡群水体的三维空间分布模式进行仿真计算。研究了气泡和气泡群在不同气泡尺度,不同散射角条件下的散射光强和偏振状态;分析了气泡幕的气泡数密度,厚度对于散射光强度和偏振状态的影响。研究表明,散射光的强度和偏振度对气泡尺度和散射角较为敏感,气泡尺度参数越大,散射光强和偏振特征越趋向于集中在传输方向的小角度散射;气泡幕的数密度和厚度越大,散射光的强度随散射角度变化的敏感度下降,退偏振效果增强。     

稀薄运动随机分布粒子的激光散射统计特征

依据球形粒子Mie散射理论,推导出在平面波入射情况下球形粒子的磁场表达式.将粒子散射振幅和微分散射截面从相对运动坐标系变换到静止坐标系,给出具有任意运动速度粒子的散射振幅和微分散射截面,理论模型具有自洽性.数值计算了波长为1.06 μm激光入射情况下,金属和介质两种粒子微分散射截面随粒子尺寸、散射天顶角以及粒子相对运动...     

粗糙介质面对高斯波束的散射

该文研究了当入射场为光波束时粗糙介质面的散射问题。利用波束的平面波谱展开方法及基尔霍夫近似理论导出了散射场和非相干截面计算公式,并对后向非相干截面进行了数值计算,最后对其结果进行了分析讨论。     

在轴零阶贝塞尔波束对手征介质球的散射特性分析

贝塞尔波束自产生以来,凭借其无衍射、自修复特性已经获得了越来越多学者的关注。基于广义洛伦兹米理论, 将在轴贝塞尔波束与手征介质球相互作用的入射场及散射场展开为球矢量波函数的表达式。结合球矢量波函数的正交完备性及电磁场的连续性边界条件,推导出了在轴零阶贝塞尔波束对手征介质球电磁散射的解析解。数值模拟了散射强度随散射角的分布,将在轴贝塞尔波束退化为平面波照射手征介质球的散射结果与文献比较,吻合得较好。分析了波束及介质球参数、介质球偏离波束中心位置对散射强度的影响。该理论为手征材料和手征涂覆目标在微波工程及目标隐身中的应用提供了很好的理论应用价值。     

波前像差对超短飞秒激光脉冲聚焦特性的影响

为了研究波前像差对超短飞秒激光脉冲聚焦特性的影响, 基于瑞利-索末菲标量衍射理论, 对比研究了在散焦、像散、慧差、三叶形像差以及球差等各类波前像差下, 均匀强度分布和高斯强度分布的超短飞秒激光脉冲的聚焦特性。结果表明, 波前像差对均匀强度分布的飞秒脉冲在焦平面处的光强分布具有明显的不利影响, 从而降低飞秒脉冲的聚焦峰值功率, 而对高斯强度分布的飞秒脉冲影响相对较小, 即在高斯强度分布下, 在焦平面处仍然有可能获得较好的、近衍射极限的聚焦光斑; 在非焦平面处, 即使初始脉冲具有高斯强度分布, 非焦平面处的光强分布受各类波前像差的影响也较为明显; 对于所研究的30fs(1/e2半宽度)超短脉冲, 波前像差对脉冲持续时间的影响几乎可以忽略。此研究结果对超短飞秒激光束的光束质量评估及聚焦特性分析具有实际的指导意义。     

手征涂覆球对高斯波束的散射

在广义米理论的基础上,通过把入射高斯波束、散射场和内部场用适当的球矢量波函数展开,给出了一种求解手征涂覆球对高斯波束散射的解析方法。待定的展开系数可由从边界条件得到的线性方程组求出。对于波束的区域近似模型,给出了微分散射截面的数值结果。结果表明：与介质涂覆的情况相比,手征涂覆对微分散射截面和散色场的极化特性都产生了较大的影响。