提高激光束整形质量的新方法

从设计优化算法和拟合方法两方面,研究了提高二元光学元件(BOE)激光束整形性能的方法。利用盖师贝格-萨克斯通(GS)算法和平滑修正法相结合的混合算法以及改进的平滑修正法,在保持顶部均匀性的前提下提高了能量转换效率,在极坐标下得到了高质量的均匀圆光束和空心环形光束输出。研究了元件半径、采样点数和初始半径与拟合精度之间的关系。在Zemax中得到了合理的BOE相位结构,输出光束满足设计要求。     

二维光束整形的衍射光学元件设计

采用加权串行迭代算法(WSI)设计衍射光学元件(DOE)，将二维圆形高斯分布的激光光束分别整形为二维正方形和三角形的均匀光束，同时实现了光束形状改变及振幅分布均匀化的功能．模拟计算结果表明，用WSI设计得到的输出波形形状基本达到要求，转换到均匀区的能量效率分别达到95．3％、93．6％．     

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。     

基于末位淘汰GSGA算法的平顶光束整形研究

激光技术发展迅速,在医疗、生物、军事和材料等领域应用广泛,但激光光强的高斯型分布限制了激光的进一步应用。平顶光束整形技术应运而生并受到广泛关注。针对该问题,提出了基于末位淘汰制（LPE）、GerchbergSaxton(GS)算法和遗传算法（GA）的LPE-GSGA算法,优化空间光调制器的相位分布函数,将高斯光束整形为平顶光束。仿真结果表明,LPE-GSGA算法输出光束指标优于GS、广义自适应加性（GAA）、加权GS(GSW)和GSGA算法。与GS算法比较,LPE-GSGA算法的误差平方和（SSE）指标降低10.1%、拟合系数η提升0.85%,对相位初值的依赖程度约降低1个数量级,输出光束顶部光强突变点更少、旁瓣减少且幅度更低。LPE-GSGA算法减少了对初值的依赖程度,使高能量利用率、高光束顶部均匀度的平顶光束整形成为可能。     

面向层结构的角谱传播计算全息算法(特邀)

为了提高计算全息图的生成速度和再现像的重建质量,文中基于角谱传播的精确衍射计算过程,提出了一种面向层结构的角谱传播计算全息算法。该算法将三维场景分层,并将每层场景通过角谱衍射运算得到子全息图。通过子全息图在干涉面的叠加,最终生成整个三维场景的全息图。由于角谱运算没有旁轴近似,因此对于不同类型的三维数据,利用该算法计算得到的全息图均可重建得到精确的再现像。此外,该算法的计算复杂度不取决于三维场景的复杂度,只取决于分层层数,因此运算速度较传统点元法可提高两三个数量级。该算法为三维场景的动态显示提供了一种有效的解决方案。     

基于多策略的三角网格面快速重构算法

针对三维散乱点云模型,设计了一种基于多策略的三角网格面快速重构算法.该算法首先利用自适应策略寻找自适应k邻,将其进行投影后在局部区域利用相交不可见策略建立顶点连接关系,在此基础上利用角度阈值策略和Delaunay准则变换策略对顶点关系进行优化,最后将此顶点关系逆映射到三维空间,得到三维点之间的连接关系,从而达到三角网格面快速重构的目的.实验结果表明此算法简单高效,处理速度快,重构效果好,并且对点云数据均匀性要求相对不高.     

倾斜多焦点Fresnel二元光学元件的优化方法

研究了近场Fresnel条件下,具有纵向多焦点的二元光学元件的设计和优化方法。提出在Fresnel衍射近似下,实现了采用倾斜像面多焦点衍射元件的一步优化,得到了衍射光学元件的一般性优化算法。在迭代傅立叶算法的基础上,用改进的迭代傅立叶算法不仅获得更高的衍射效率(提高近3%),同时,明显改善了采用一般迭代傅立叶算法对不同焦点分布(不同倾斜角)下的不稳定性。与分步优化多焦点算法进行了比较,并用MATLAB 编程计算得到所提出的方法,不仅算法速度快,同时衍射效率也更高。     

基于改进PMVS算法的多视遥感地形影像密集匹配

基于面元的多视立体(PMVS)算法应用于遥感多视地形影像三维场景重建时,影像中的弱纹理、灰度值变化不明显区域使得重建出的三维地形点云存在整体分布密度低和局部孔洞现象.结合遥感地形影像的特点,提出了基于影像块的并发SIFT算子和地面高程范围约束的改进PMVS算法,首先在特征提取阶段得到分布密集、均匀的特征点,进而通过地面高程范围约束的匹配传播过程高效地得到种子面元,再通过迭代种子面元扩充、面元过滤过程得到地形影像的三维点云数据.实验结果表明,相比原PMVS算法,改进的PMVS算法可在幅宽大、存在弱纹理区域的多视遥感地形影像上重建出稠密点云,有效修复了地形点云场景中的孔洞,并提高了重建时间效率.     

SGⅡ-5 PW激光系统大能量光参量放大器光束近场分布均匀性

为了提高神光Ⅱ 5PW(SGII-5PW)超短脉冲激光系统的运行安全性,针对大能量光参量啁啾脉冲放大(OPCPA)光束近场分布均匀性问题,从理论上进行了数值模拟,并与实验数据进行了对比分析。在1PW级放大器模拟中,以预放大器以及神光Ⅱ大能量抽运脉冲的测量数据为基础,利用参量耦合波方程组数值模拟方法,得到了近场填充因子与光通量对比度在光参量放大过程中的演变,并结合转换效率与输出稳定性进行讨论,得到了对应于高光束质量、高转换效率与高稳定性的非线性晶体长度优化范围,结果还表明抽运光对放大后光束均匀性影响较大,进一步提升神光Ⅱ第7路光束质量是大幅提升第2级OPCPA(OPCPA-Ⅱ)光束均匀性的切实途径。     

倾斜多焦点Fresnel二元光学元件的优化方法

研究了近场Fresnel条件下,具有纵向多焦点的二元光学元件的设计和优化方法.提出在Fresnel衍射近似下,实现了采用倾斜像面多焦点衍射元件的一步优化,得到了衍射光学元件的一般性优化算法.在迭代傅立叶算法的基础上,用改进的迭代傅立叶算法不仅获得更高的衍射效率（提高近3%）,同时,明显改善了采用一般迭代傅立叶算法对不同焦点分布（不同倾斜角）下的不稳定性.与分步优化多焦点算法进行了比较,并用MATLAB编程计算得到所提出的方法,不仅算法速度快,同时衍射效率也更高.     

激光空间整形实现直接驱动惯性约束聚变球靶均匀辐照

在保持间接驱动光束排布结构及束数不变的条件下,通过对各路入射光横截面强度分布进行调整,消除多光束叠加后球靶表面光强大尺度的不均匀性。建立了描述球靶表面多光束叠加分布的计算机模拟平台。根据光束入射条件,计算出多束光在靶面叠加后的光强分布及其不均匀度。利用加权平均的思想,得出实现均匀强度叠加所需要的各入射光焦面强度分布状态。根据激光传输理论,计算出可实现球靶均匀辐照的进入靶室聚焦透镜之前的光电场分布。     

基于相位混合算法的衍射光学元件优化设计方法

在光束整形衍射光学元件的设计中,为提高目标衍射图样的重构精度,提出了一种基于相位混合的迭代算法。该算法采用复振幅每次迭代循环的初始相位与返回相位的加权和为驱动函数,并以每次循环开始和结束时的光强比较作为光束相位变换的判据。简单讨论了Gerchberg-Saxton（GS）算法的缺陷,并以高斯分布-均匀分布和高斯分布-环分布为例,对比了改进算法与GS算法的设计结果。计算机仿真结果表明,改进算法的极限收敛精度比GS算法高几个数量级,其能量利用率、顶部不均匀性等指标也均优于GS算法。该算法能获得重构精度较高的输出图样,对衍射光学元件的优化设计具体参考意义。     

制作和重现像面彩色全息图的新方法

本文提出像面彩色全息图的制作白光重现的新方法。根据Kogelnik关于体积全息图的耦合波理论,记录时,根据角度灵敏度的要求,把三基色参考光束分别按照不同角度入射到全息干板上。用这种方法记录的彩色全息图,当用与三基色参考光束的空间频率相同的三基色普通光束照射时,将重现消除了串色干扰的原物体的三维彩色像。利用三个全息光栅从白光中选择出三个再现基色波段,并对像面彩色全息图色散补偿,这种白光重现方法没有色模糊。     

光束整形对激光诱导击穿光谱稳定性的改善

使用衍射光学元件将高斯激光光束整形为能量分布均匀的平顶激光光束,对比了两种激光诱导铜等离子体的特性,研究了光束整形对激光诱导击穿光谱稳定性的改善作用。研究结果表明:激光光束能量分布的均匀性引起了烧蚀坑形貌以及单次烧蚀量的差异,高斯激光和平顶激光诱导光谱的强度、等离子体温度和电子密度的相对标准偏差分别为12.33%和6.37%、2.10%和1.32%、5.31%和0.65%;光束整形后激光诱导击穿光谱的稳定性得到了明显改善,两种激光诱导产生的等离子体均呈局部热力学平衡状态。     

LDA侧泵Nd玻璃的高光束质量激光放大器研制

研制了一台高光束质量、高稳定的基于激光二极管阵列(LDA)侧泵Nd玻璃的纳秒方形激光脉冲放大器。为了获得较高的输出能量,采用LDA泵浦的"串联式双程放大"高增益组件进行能量放大。同时,为了获得高光束质量的光斑,利用液晶空间光调制器(LCSLM)对光束近场分布进行空间整形,以便得到超高斯平顶分布的光束,并对后级放大器增益不均性进行预补偿,最终得到了光束口径为Φ13mm、光束近场调制度小于1.22∶1的激光输出。放大器工作波长为1 053nm,当注入500nJ的3ns方形激光脉冲时,得到无脉冲畸变激光脉冲能量为100mJ、能量不稳定度为2.14%(均方根)和远场角漂移小于11μrad的高光束质量激光输出。     

基于迭代的纯相位全息图生成算法比较研究

纯相位全息图因无共轭像、衍射效率高，在全息三维显示中得到广泛应用。迭代算法因计算灵活、编码图像重建质量高，在纯相位全息图生成中具有重要地位。对基于迭代的生成纯相位全息图最新算法进行比较研究，介绍迭代算法生成纯相位全息图的基本原理，编程实现了典型代表性、创新性算法。通过图像重建质量、耗时长短的对比，进行了详细的实验研究，分析了各类方法的特点和优缺点。结论表明，对于较大像素差的图像，选用直方图补偿算法可得较好的效果，对于高重建质量的图像，可选用自适应加权Gerchberg-Saxton算法。     

列阵透镜对能量测量影响的分析

结合列阵透镜的透过率分析了其后的光场分布。列阵透镜由多个列阵元拼接而成，用以改善主透镜焦点附近能量分布的均匀性。列阵透镜在提高辐照均匀性的同时，给能量测量带来了不利的影响。这是由于经过列阵元的相邻子光束会产生干涉，干涉条纹处的激光能量密度和功率密度相应都大为增加，其数值在干涉区域中心处能上升到原来的4倍。更高的能量密度和功率密度对能量计提出了更苛刻的要求。在没有采取适当措施的时候使用，就会损坏能量计。     

光寻址液晶空间光调制器用于激光光束整形的可控系统和设计算法

提出了一种利用光寻址液晶空间光调制器(LC-SLM)来实现实时可控的激光光束整形的系统和算法.用几何变换法和盖师贝格-撒克斯通(G-S)算法对有振幅调制和位相畸变光束进行均匀分布的平顶光束整形及数值模拟,用几何变换法可以得到非常好的小尺度的均匀性输出光束,而G-S算法能够有效地改善入射光束的大尺度不均匀性.为了减少输出光束的均方根误差和顶部不均匀度,提出结合几何变换方法和G-S算法,由几何变换方法得到的相位分布为G-S算法的初始相位分布.计算机设计的仿真结果表明:利用这种算法可以有效减少大尺度的不均匀度值,并得到合适的输出光束.     

重复频率3Hz、100mJ高光束质量钕玻璃放大器的研制

研制了具有放大纳秒方形激光脉冲的高光束质量、高稳定的激光二极管(LD)抽运的钕玻璃激光放大器。为了获得较高的输出能量,采用LD泵浦的"串联式双程放大"高增益组件进行能量放大。为了获得高光束质量的光斑,利用液晶空间光调制器(LCSLM)对光束近场分布进行空间整形,使之产生特定的空间分布,进而对后级放大器增益不均匀性进行光学预补偿。放大器工作波长为1 053nm,工作频率为3 Hz,输入1nJ的3ns方形激光脉冲,输出激光脉冲能量为100mJ、光束口径为10mm×10mm的方光斑,能量不稳定度小于2%(均方根),净增益大于109。光束的近场调制度小于1.3∶1,远场焦斑衍射极限小于2DL,远场角漂移小于9.5μrad。     

基于工艺参数扰动的IC参数成品率多目标优化算法

在芯片制造工艺中,参数扰动影响了集成电路（Integrated Circuit,IC）成品率,使不同参数成品率间存在着此消彼长的相互制约关系,而目前IC参数成品率优化算法却主要局限于单一优化目标问题。本文提出一种基于工艺参数扰动的参数成品率多目标优化算法。该算法针对漏电功耗成品率及芯片时延成品率,首先构建具有随机相关性的漏电功耗及芯片时延统计模型;随后根据其相互制约特性建立基于切比雪夫仿射理论的参数成品率多目标优化模型;最后利用自适应加权求和得到分布均匀的帕雷托优化解。实验结果表明,该算法对于具有不同测试单元的实验电路均可求得大约30个分布均匀的帕雷托优化解,不仅能够有效权衡多个优化目标间的相互制约关系,还可以使传统加权求和优化方法在帕雷托曲线变化率较小之处得到优化解。