镜面颗粒影响激光散射特性的模拟仿真

光学镜面上的激光散射特性对光学系统性能的影响十分重要。利用修正的米氏散射理论模拟计算了光学镜面的双向反射分布函数(BRDF)。结果表明:镜面上的颗粒污染物能够十分明显地影响光的散射特性。此外,入射激光的波长与BRDF的值成反比,波长较短时,散射较复杂。因此,保持镜面的洁净对维护光学镜面的性能十分重要。     

卫星光通信系统中金属结构件的表面散射特性研究

卫星光通信系统中结构件的表面散射会直接影响信号的传输效率。因此，基于自行搭建的双向反射分布函数（BRDF）测量系统对钛合金、铝合金结构件的表面特性展开测量。首先，分析了1550 nm激光通信波长下结构表面粗糙度和入射角度等因素对BRDF分布的影响。然后，建立了结构件表面的BRDF模型，并通过模拟退火算法获得了最优模型参数。实验结果表明，建模结果与实测结果的相对均方根误差优于7.26%，根据实测数据拟合的ABg模型参数为实际工程应用中的杂散光追迹计算和系统设计提供了必要的数据参数。     

低盲区杂散光对激光雷达系统信号质量的影响

利用ZEMAX软件对透射式米散射激光雷达系统的杂散光进行分析,对激光雷达系统中光学镜片表面的反射和镜筒内壁系统的多次反射、散射进行模拟,得到镜面的多次反射光成像在探测器面源的功率可达3×10-8 W,镜筒散射光成像在探测器面源的功率达到2.8×10-9 W。在测量条件相同的情况下,通过对透射式和反射式激光雷达的连续观测结果进行分析,得出透射式米散射激光雷达的近场杂散光经过光电转换后的回波信号强度可以达到1000mV,比反射式激光雷达系统的高约17倍;用衰减片分别对两种雷达信号进行衰减处理,结果显示:当信号衰减80%时,透射式激光雷达系统的近场信号出现下翘现象。从对信号非线性化处理的结果也可以看出,反射式激光雷达系统优于透射式激光雷达系统。     

激光跟踪中目标卫星表面BRDF对回波信号的影响

通过双向反射分布函数(BRDF)公式,模拟了空间激光主动照明跟踪中,相同材料、不同粗糙度下卫星表面的BRDF,得出了随着卫星表面材料粗糙度的增加,镜面反射分量越小,漫反射分量越大,双向反射分布散射角越宽,接收到的回波信号对方向的敏感性减小。同时模拟了入射角度对卫星表面BRDF的影响,得出了照明光束小角度入射、接收信号方向与照明光束方向一致时,镜面反射分量的增加增强了反馈信号,当大角度入射时,反馈信号急剧减小。当入射角大于34°时,通过卫星表面BRDF计算得到的最小接收功率,比之前把卫星目标看成朗伯体,通过激光雷达公式计算得到的最小接收功率小。得出了增加照明光束的发射功率为原来的5倍,或者增大接收口径为原来的2.5倍,可以消除大入射角度带来的接收功率的减小,使得系统有4倍的功率余量。     

红外系统杂散光测量装置

为了定量检测出红外系统的杂散辐射,建立了点光源透射法为理论基础的红外系统杂散光测量装置。采用功率5 W的CO2激光,通过扩束准直系统后,得到均匀的入射辐照度场;通过被测红外系统后,得到随视场角(-10°~-2.5°)与(2.5°~10°)变化的像面辐照度场分布,进而得到杂光指数PST,有效评价出红外成像系统对杂散光的抑制水平。     

大功率激光光学系统杂散光分析的数据结构

文中主要研究发功率激光光学系统光学表面多次反射而形成的杂散光及其数学模型与计算方法，提出了杂散光分析的二叉树数据结构。利用这种数据结构，作者编制了激光光学系统杂散光分析软件，针对两个实例建立了近轴鬼光束树。实例计算表明，采用该数据结构可以全面描述杂散光状况，并根据设计人员的要求捕捉危害较大的鬼像。     

光学镜面污染对激光传输特性的影响

光学镜面的散射对光学系统的性能有十分重要的影响。选用可见光0.632 8m、近红外光1.053 m 和热红外光10.6 m 三种激光波长，利用修正的米氏理论和光学表面的双向反射分布函数（BRDF）研究光学镜面在不同污染条件下激光的传输特性。研究结果表明:当镜面粗糙度远远小于入射光波长（ ）时，干净镜面的散射强度与成正比，与成反比。污染镜面散射强度与污染颗粒的尺寸和数量有关，颗粒分布越复杂，散射越显著。另外，波长越短，BRDF 越大，散射越复杂。     

涂层表面激光散射特性的实验测量及优化建模

运用双向反射分布函数测量系统在特定激光波长下(1.06μm)对涂层目标样片进行实验测量,根据样片的BRDF实验数据,将遗传模拟退火算法应用于目标表面BRDF统计模型的参数反演中,获取样片的BRDF模型参数,并在此基础上获得上述样片BRDF的三维分布.同时比较了模型中考虑遮蔽因素与不考虑遮蔽情况下进行参数反演所得到的均方误差,反映了遮蔽效应对涂层目标表面光散射特性的影响.     

利用细棒润湿效应弯曲液面边界反射的研究

发现了细棒润湿效应时弯曲液面上边界反射光场的圆形暗场扩张效应.当平行激光束垂直入射到由细棒润湿效应引起的弯曲液面上时,边界反射产生特殊的反射图样,图样的中心为圆形暗场,周围有清晰的衍射条纹,并且暗场的半径随入射光束半径的缩小而变大.理论上分析了反射图样暗场的半径与边界入射光束半径的解析关系,实验室上计算了弯曲液面的斜率,进而得出弯曲液面上升的最大高度和接触角.建立了一种利用弯曲液面边界反射的暗场扩张效应来实时测量液面特性的新方法.     

屏蔽罩的优化设计与杂散光分析

为了解决激光惯性约束聚变系统中屏蔽罩引起的杂散光问题,建立了屏蔽罩的三维蜂窝结构模型,提出了屏蔽罩的杂散光分析方法,分析了屏蔽罩的蜂窝曲率与两蜂窝中心间距对杂散光的影响。结果表明:激光通过屏蔽罩反射,始终存在反射光光强最强区域;不同角度的反射光强度峰谷值和光反射回原光束的总能量随着屏蔽罩蜂窝直径和蜂窝间距的增大而增大。基于此,在设计屏蔽罩时,应严格控制蜂窝直径与蜂窝间距,使终端光学系统避开反射光最强区域,使得散射光相对均匀地分布到立体空间中。     

不同粗糙度表面双向反射分布函数的实验研究

为了研究目标表面的激光散射特性,利用双向反射分布函数的方法,采用自行设计的双向反射分布函数测量装置对样品表面双向反射分布函数进行了实验测量研究。以BaSO4粉压制板作为漫反射标准板,通过样本比值法进行对比研究,得到了样品在不同粗糙度和不同入射角下反射光的空间分布。结果表明,粗糙度越小,样品表面镜像反射的双向反射分布函数峰值就越大,镜反射现象越明显;入射角度越小,样品表面镜像反射的双向反射分布函数峰值就越小,呈现出一定的漫反射特征;反之亦然。反映出不同粗糙度表面对激光散射程度不同。     

强激光积分变换镜的光学性能及相关热作用

根据标量衍射理论研究一种常用积分镜，导出任意给定入射光束时在光学系统后不同空间平面上光束的强度分布，给出模拟计算实例，讨论经积分镜变换后光束的热作用。研究结果表明，变换光束带有强烈的干涉及衍射结构，入射光束分布及工作平面位置的选择对变换结果有显著影响。对于导热性能较好的材料，变换光束的干涉和衍射结构的热影响可以忽略，但是，配置与积分镜相应的模拟计算软件是提高使用质量的必要措施。     

水泥路面激光散射特性研究

为了通过激光散射特性识别不同粗糙程度水泥路面,设计了路面粗糙度测量系统.使用千分表测量水泥路面高度分布,计算高度均方根与相关长度.根据以上参量采用功率谱频域滤波生成随机粗糙表面以模拟水泥路面,通过切平面近似将粗糙面离散为大量微面元,由菲涅耳公式计算本地场,利用蒙特卡罗方法获取不同偏振光入射条件下粗糙面双向与后向散射光强...     

钛合金粗糙表面的偏振光及变温BRDF特性

基于红外光谱椭偏仪测得钛合金TC4在298~773 K范围的光学常数,结合Monte Carlo射线跟踪法对钛合金随机粗糙表面的双向反射分布函数(BRDF)进行了研究.分析了不同表面粗糙度、入射光偏振态及温度对钛合金表面BRDF分布的影响.结果表明:偏振光入射下钛合金的BRDF分布随入射角度及表面粗糙度的变化趋势与非偏振光相同;入射平面内粗糙钛合金表面的BRDF随光源偏振态变化与光滑平板具有相同趋势;TE波入射时的BRDF反射峰值大于TM波入射;钛合金粗糙表面的BRDF镜反射峰值随温度升高有下降趋势;在所研究的温度范围内(298~773 K),峰值变化在10.2%以内,温度变化对TM波下钛合金BRDF分布特性的影响大于TE波,且在入射角度增大时影响增大.     

激光强度时空分布测量漫散射取样衰减技术研究

激光强度时空分布的测量对于诊断与评估激光系统的性能具有重要意义,减少激光入射角度影响、对大尺度激光束进行高分辨力、高占空比取样是准确测量激光强度分布的关键,结合漫散射光分布与入射光方向无关的原理,提出了激光强度时空分布测量漫散射取样衰减方法,设计了漫散射取样衰减单元,建立了光强计算模型,推导了光强计算公式并进行了验证,光强衰减倍数实验结果与理论值一致。介绍了漫散射取样衰减装置与光电管阵列或CCD成像系统的组合应用。该方法的优点:空间取样分辨力高,可达2 mm左右;使用角度宽,可达30而不需要响应修正;占空比高,可达40%以上;衰减倍数范围大,可以通过调节衰减结构参数实现任意需要的衰减倍数。漫散射取样衰减为阵列探测器对大尺寸激光束进行取样和衰减提供了一种新方法,提高了激光强度分布测量能力和测量精度。     

离轴抛物面镜对超短激光脉冲紧聚焦特性的研究

为了研究超短激光脉冲光束质量对焦斑的影响,采用经典的几何模型进行了理论模拟分析,并实验研究了离轴90°抛物面镜的飞秒激光光束的紧聚焦特性。由理论分析和实验结果可知,当入射失准角为3mrad时,将从空间上使焦斑峰值功率密度减半,失准角的存在将引起到达靶面的激光脉冲的时间展宽从而降低焦斑峰值功率密度;利用3TW钛宝石飞秒激光系统,通过ƒ/1离轴90°抛物面镜对激光束进行紧聚焦,得到最佳焦斑尺寸为5.6μm×5.4μm,对应于3mJ和96mJ的飞秒脉冲激光光束的焦斑峰值功率密度分别为3.83×1017W/cm2和1.23×1019W/cm2。结果表明,该研究为开展激光与固体、气体、团簇等物质相互作用的相关实验提供了重要的参考。     

A displacement measurement system based on optical triangulation method

A new displacement measurement system is described in this paper according to the basic principles of traditional lasertriangulation method. The range of the traditional measuring method is enlarged by measuring in sections. Three independent CCDs, which are distributed uniformly along the optical axis, are used to achieve subsection measurement. The planemirror is regarded as a virtual detector. When imaging beam is reflected by the plane mirror, the beam is imaged on theCC D. The designed system is equivalent to add a CCD. The feasibility of the displacement measurement system is verifiedby the experiment.     

光学表面粒子污染物散射的单层薄膜调控特性

为了降低超精密低损耗光学元件表面粒子污染物的光散射损耗,文中提出通过在光学表面沉积单层薄膜来调控表面场强分布,从而降低散射损耗的方法。理论分析了K9玻璃超光滑光学表面不同厚度单层二氧化硅（SiO₂）和单层二氧化钛（TiO₂）薄膜表面上方半径为100 nm粒子污染物所在处的电场强度,理论分析结果发现,当SiO₂薄膜厚度为137.4 nm,TiO₂薄膜厚度为12.3 nm时,表面粒子污染物所在处的电场强度最小。在此基础上分别计算了光学元件表面沉积厚度为137.4 nm的单层SiO₂薄膜以及厚度为12.3 nm的单层TiO₂薄膜,表面粒子污染物的总散射损耗(S)和双向反射分布函数(BRDF),计算结果表明,在波长为632.8 nm的光垂直入射时,单层SiO₂薄膜和单层TiO₂薄膜可有效降低其表面粒子的BRDF,且可将K9玻璃表面的总散射分别降低12.40%和25.04%。实验验证了单层SiO₂薄膜对于表面粒子污染物散射降低的有效性。     

激光准直特性在主动式激光侦察告警系统设计中的应用探讨

探讨了主动式激光侦察告警系统入射高斯光束腰斑与望远镜副镜的距离对出射高斯光束准直倍率的影响.在满足入射高斯光束腰斑与望远镜副镜的距离远大于望远镜副镜的焦距的条件下,望远镜主镜的焦距与望远镜副镜的焦距的比值越大,出射高斯光束的准直效果越好.在不满足入射高斯光束的腰斑与望远镜副镜的距离远大于副镜的焦距的条件下,仿真分析了望...