高斯激光束大气湍流传输的建模与仿真

大气激光通信中,湍流对传输系统的性能有着严重的干扰。在湍流中传输的激光会产生相干性退化,并且引起了光束的相位起伏、到达角起伏、光强起伏等效应,极大的影响了激光通信中传输速率及准确性。因此,利用快速傅里叶变换方法产生了Kolmogorov湍流理论的相位屏,并采用低频谐波补偿方法,从而改善相位屏的低频统计特性。然后,基于所产生的相位屏,采用分步传播方法对准直高斯光束通过Kolmogorov大气湍流进行了数值仿真,通过仿真得到了穿过大气湍流后的光强和相位分布,这对于大气激光通信,特别是研究光束在湍流中传播时的湍流效应有着不可忽视的指导意义和参考价值。     

散斑对光斑检测精度的影响

采用随机相位屏数值模拟激光在大气湍流介质中的传播过程,对在激光接收端探测器表面形成的散斑利用质心坐标进行计算统计,模拟结果表明:光斑质心脱靶量随湍流强度和传播距离的增加而变大,在中等湍流强度(C2n=5×10-14m-2/3和1km传播距离条件下,散斑效应对光斑检测精度的影响误差可达十几微弧度.     

大气湍流对激光信号传输影响的研究

在不同的大气条件下,分析和研究了大气湍流对激光信号传输时所产生的强度起伏、光束漂移、扩展和相位起伏及到达角起伏等现象,并在此基础上设计了相应的实验方案,对各种效应进行了具体测试。实验结果表明,随机大气信道湍流效应对激光信号传输的影响很大,在不同的条件下,大气湍流效应的不同影响程度、湍流的强弱与阳光的强烈程度有关。晴天中午前后最强,其他时间较弱。这为激光大气通信在大气湍流效应方面提供了一定的依据。     

部分相干空心光束在非均匀大气湍流中的传输

基于惠更斯-菲涅尔原理和维格纳分布函数的二阶矩定义,推导部分相干空心光束(PCHGB)在非均匀大气湍流中传输的束宽和远场发散角的解析表达式,并对其在非均匀大气湍流中的传输特性进行定量分析和讨论。研究结果表明;PCHGB在非均匀大气湍流的传输过程中,其束宽受大气湍流的影响取决于光束的束腰、阶数、波长、相干度以及湍流内尺度和天顶角;非均匀大气湍流对PCHGB远场发散角的影响与光束的天顶角、湍流内尺度、相干度以及波长密切相关;在非均匀大气湍流的传输中,当天顶角为π/3时,PCHGB远场发散角的饱和传输距离为0.3 km。     

大气湍流等效相位屏的仿真研究

为了研究光波在大气湍流中的传输特性,了解大气湍流中大气扰动的空间相位分布,分别利用谱反演法和泽尼克多项式法对大气湍流等效相位屏进行了数值仿真.仿真结果表明:谱反演模拟的相位屏体现的湍流高频信息较充分,但低频信息不足;泽尼克法模拟的相位屏体现的湍流低频信息较充分,但高频信息不足.随着采用的泽尼克多项式阶数的增加,其体现的高频信息得到改善,但这些高频信息主要集中在圆域的边缘区域.比较研究表明,谱反演法和泽尼克多项式法模拟大气湍流等效相位屏各有优缺点,可以在不同情况选择合适的方法或两者结合以达到预期结果.     

大气湍流中光传播的数值模拟

大气分子等粒子的存在对光的空间传播通常会产生光束的扩展、漂移等的影响.文中在随机媒质中光的传播理论的基础上,分析了构造大气湍流随机相位屏所需要的条件,采用McGlamery算法和Huygens-Fresnel原理,数值模拟给出了Kolmogorov谱下的大气湍流随机相位屏.分析了光波从发射机经湍流大气传播到达接收机平面时的光场变化特征.模拟分析表明:大气分子等粒子的存在,对光的振幅及能量的空间分布均造成很大的影响.     

基于视觉的远场激光光束质量的检测方法

介绍了一种远场激光光束质量的检测方法,可检测远场激光的光斑位置、光斑大小和光强分布。漫反射特性的靶板在远场接收激光,采用视觉系统以一定角度拍摄靶板图像,采用VC++编制软件对图像进行处理,得出检测参数。给出了系统的组成和图像处理算法,并进行了检测精度测试,光斑位置测量误差小于2 mm。实验结果表明,视觉系统不需要标定,测量方便,可在野外现场检测。     

CO2激光光束在直流TIG电弧中传输形态研究

使用光束光斑质量诊断仪检测了CO2激光垂直穿过直流TIG电弧后的光斑半径及传输方向的变化,考察了激光离焦量及作用电弧位置对光斑的影响,计算了光束通过电弧后的偏折角度。结果表明,电弧等离子体的“负透镜效应”使得激光柬在0、＋10mm离焦量下作用电弧中间位置时,测量的光斑比原始光斑半径增大;-10mm离焦量下光斑缩小。电弧的“棱镜”折射,使得光束穿过电弧后有向阴极的微小偏折,计算偏折角度为0．8°。激光束0离焦量,作用电弧阳极附近时,光斑呈椭圆。     

激光束在大气中的传播特性研究

激光大气传输特性是研究激光在通过大气传播的过程中,大气与激光相互作用产生的一系列线性与非线性效应以及这些效应对激光传输的影响。文章基于正的共焦非稳定谐振腔的激光场,采用快速傅里叶变换（FFT）等方法研究激光光束在大气中的传播特性,分析了强激光器如二氧化碳激光器在大气传输中产生的一些线性光学效应,并在只考虑大气折射、大气分子吸收等对激光光束的影响下,求出了激光光束在大气中的偏移、光束的扩展和光束质量等,进而利用β参数和Strehl比来评价高能激光器的光束质量特性,给出了这两个参数随着最高能量变化的图形。     

CO2激光光束在直流TIG电弧中传输形态研究

使用光束光斑质量诊断仪检测了CO₂激光垂直穿过直流TIG电弧后的光斑半径及传输方向的变化,考察了激光离焦量及作用电弧位置对光斑的影响,计算了光束通过电弧后的偏折角度。结果表明,电弧等离子体的"负透镜效应"使得激光束在0、+10 mm离焦量下作用电弧中间位置时,测量的光斑比原始光斑半径增大;-10 mm离焦量下光斑缩小。电弧的"棱镜"折射,使得光束穿过电弧后有向阴极的微小偏折,计算偏折角度为0.8°。激光束0离焦量,作用电弧阳极附近时,光斑呈椭圆。     

图像法描述强激光远场空域分布的实验研究

在分析利用光电靶获得的激光光斑图像的基础上,提出采用CCD图像记录和能量值同步采样的测试方法来获得强激光远场的空域分布情况,通过实验对远场激光光斑进行图像拍摄和能量值抽样采集,并对结果进行分析处理,获得了激光束透过大气后的空域分布实际情况.     

激光在海水界面上的传输特性分析

利用海-空界面的数学模型,对海面激光束的漂移和扩散作用进行分析.水下激光通信系统的光学信道是由大气、空-海界面和海-空界面以及海水组成;激光由海-空界面和空-海界面分别进行上下行传输.由于上下行信道的传输特性并非是简单可逆的,必须从两个不同的方面来分析激光在海水界面上的传输问题.通常海水界面不是平静的水平面,容易受到风力或其他外力的影响,产生随机起伏,降低接收光功率,由此提高了对接收机的要求.光在不同介质中的传播特性不同,大气和海水折射率的差别是影响激光传输的决定性因素.通过激光在空-海界面上的传输情况,建立海水→大气界面的数学模型,着重在理论上分析激光束在上行信道上通过海面的扩散和漂移规律.     

激光通过实验室模拟尾流的衰减特性

尾流场中气泡幕的存在,使得对于气泡、气幕的研究成为研究尾流的一个重要途径,而在实验室模拟尾流气幕场并对其进行研究是一种简单且行之有效的途径。研究表明,无气泡幕时激光在扩束时比不扩束时的衰减平缓,通过气泡幕的激光在有扩束情况下透射光引起的照度大于无扩束时透射光引起的照度。在一定气体压强下,照度随着光阑孔的增大而增加;当光阑孔径小于4mm,基本呈线性增加,当光阑孔径大于4mm,增加较为缓慢,并在光阑孔径等于10mm时接近饱和。有气泡幕存在时透射光的输出照度大于无气幕时的照度,数量级可达69dB,有气泡幕时的相对标准差是无气泡幕时的10倍以上。     

红外空心传能光纤聚焦系统的设计与优化

为了进一步提高光纤传输激光的效率,通过改善中红外光纤输出激光时的光斑及发散角的大小设计了双透镜和两种三透镜光学聚焦系统,并得到相应的光斑图形。运用MATLAB软件对实测的光斑进行模拟计算,得到了光斑的强度分布图,通过分析计算不同聚焦系统中的不同位置处光斑的大小,计算并得到了光束发散角。实验结果表明,3种方案中凸凹凸三透镜聚焦系统效果最佳,输出的光斑直径为0.33mm,光束的发散角为0.42°,提高了耦合效率,降低了传输能量的损耗。     

Rytov近似法在闪烁效应中的应用与改进

利用Rytov近似法和湍流大气中高斯波束的传输理论,针对湍流大气中水平传输的主动探测激光,建立了其单程传输到达目标端接收平面的闪烁指数模型,对模型进行改进使其适用于强湍流的大气条件,并对数值仿真的结果进行实验验证。结果表明,改进后的模型更符合实际传输情况,传输距离、湍流强度等因素都会影响闪烁指数的变化,数值模拟与实验测量的结果在变化趋势上有较好的吻合。但由于系统本地噪声、探测器散粒噪声和背景噪声等随机因素的存在,使实测结果略大于数值模拟结果。     

强激光大气传输稳态热晕效应研究

基于积分法研究了有风时强激光大气传输稳态热晕效应．推导了稳态热晕积分方程,分析并改进了高斯-勒让德积分法,使收敛速度提高近两倍,且畸变越大改进效果越显著．应用该算法计算了10.6μm激光的稳态热晕对远场光斑能量分布的影响,得到了较理想的结果．然后应用该算法对3.8μm激光的热晕效应进行了分析．结果表明,在其他参数不变情况下,发射功率越大,传输距离越远,光束畸变和波束扩展越大; 而孔径的增加,会使热畸变效应减小,但孔径太大或太小均会导致到达目标的功率密度下降,有效光斑面积减小,且孔径的增大会增加系统实现的难度和成本．因此,合理选择发射孔径是系统设计的重要因素．     

凸面镜光杠杆法测微位移的实验研究

将适当尺寸的凸面镜粘结于位移物体上,用氦氖激光束照射镜的凸面,并用屏接收反射的光点。物体发生位移时会使凸面处激光反射条件发生变化,从而引起接收屏上反射光点位置变化。找出物体位移和反射光点移动距离之间的函数关系,便可通过测量光点移动距离来测量物体的位移。用这种方法可以实现位移的无接触测量。测量范围为数厘米,精度可达10~(-10)毫米     

到靶激光辐照氧化铝的温度分布特性研究

在激光的传播过程中,由于受到传输环境影响,可能导致到靶激光的波前畸变和波前破碎等现象,致使实际的到靶光斑产生时空分布的变化。利用COMSOL Multiphysics仿真软件建立了毫秒脉冲激光与氧化铝相互作用的数值仿真模型,对比分析了氧化铝分别在实际到靶激光和理想高斯激光作用下的温度分布差异。研究表明,由于实际到靶激光与理想高斯激光能量梯度差距较大,使得在与氧化铝相互作用时产生的温度分布也表现出明显差异,在分析实际到靶激光时,实际到靶激光的能量梯度越大,其产生的温度场与其能量空间分布差异也更明显。因此,在实际应用中,不能单纯的把入射激光都理想化为标准光斑。研究结果在提高长距离传输的激光加工质量的应用方面具有指导意义。