内通道轴向风速对强激光相位特性的影响

针对内通道传输过程中激光束相位特性的变化,建立了内通道中光场-流场的耦合仿真模型,通过引入湍流相位屏模拟了内通道中湍流扰动对传输光束波前相位的影响。在此基础上,定量计算了不同轴向风速条件下内通道传输光束的波前相位特性,并结合自适应波前校正模型,分析了激光束经内通道传输后的波前校正效果。研究结果表明,随着轴向风速的增大,激光束波前相位中的高频成分呈现出先增大后减小的趋势,经自适应波前校正后的光束质量也呈现出类似趋势,且当轴向风速约为0.65 m/s时畸变波前中的高频成分最多,经波前校正后的光束质量最差。该模型能够为激光控制系统的设计和性能评估提供一定参考。     

利用光场传感器重建波前相位的仿真研究

利用软件仿真对光场传感器重建波前相位的能力进行了研究。研究采用FFT算法模拟波的传播和衍射效应,利用Zernike多项式模拟像差, 根据相应的光场映射及逆光场映射理论,进行波前重建。研究了前22项单阶像差的波前相位重建情况,选取其中初级像差和二级像差的 重建结果做了比较分析,并针对复合像差的波前重建做了多组仿真实验,比较了低阶复合像差和高阶复合像差的重建误差。结果表明: 无论是单阶像差还是复合像差,光场传感器都能够重建波前相位,并且对低阶像差的相位重建效果好于高阶像差。     

激光传输大气湍流效应复域仿真模拟方法研究

针对光场所受到的湍流畸变影响,提出了一种模拟激光传输大气湍流效应的新方法,利用大气湍流效应的统计学特性,实现了激光传输大气湍流效应在幅度域和相位域两个维度的联合模拟,且该方法适用于弱、中、强三种湍流情况。基于可描述不同湍流强度下光场幅度畸变的两种统计模型,采用随机微分方法得到光波幅度变化序列,光波幅度变化序列模拟结果与理论计算结果在不同湍流强度下均较好地吻合,拟合系数均大于09767;基于低频次谐波补偿的功率谱反演方法,采用三阶贝塞尔函数随机曲线设计生成时变相位屏对大气湍流效应中的相位畸变进行模拟。在不同湍流强度下,采用高斯光束作为光源,通过对时变相位屏移动过程中接收光斑强度进行归一化统计,模拟结果表明,所构建的大气湍流效应复域仿真模型模拟的效果与实际大气湍流畸变过程吻合。     

高斯光束质量与波像差之间的关系

为了考察光阑截断时高斯光束质量与波像差之间的关系,采用高斯光束值作为截断高斯光束质量的评价参量,通过数值仿真的方法分析光学系统波像差对截断高斯光束质量的影响,给出了高斯光束值与波像差间的拟合关系。讨论了高斯光束质量与Kolmogoroff大气湍流强度间的关系,并给出了二者间的拟合公式。结果表明,该拟合公式的计算结果在相当广的湍流强度范围内与数值仿真结果较好吻合,这也进一步验证了高斯光束值与波像差拟合关系的正确性。     

光束漂移误差与长曝光光斑光束质量β因子的关系

分析了理想无波像差条件下和有随机波像差条件下光束漂移误差与长曝光光斑光束质量β因子的关系,得出光束漂移误差与长曝光光斑的光束质量β因子的关系。理论分析和数值仿真结果显示,光束漂移误差对长曝光光斑的光束质量β因子的影响与无光束漂移误差时系统初始光束质量无关,而与光束质量β因子的评价标准和光学系统中心遮拦比有关。分析了实际应用场景下对光束漂移误差的要求,指出对长曝光光斑光束质量的要求越高,允许的光束漂移误差越小。     

非中心对称像差系统的光束质量控制

为了突破元件加工工艺水平对多元件光学系统像质的限制,基于计算机辅助装调,研究了系统中元件装调姿态的优化过程.针对由两个元件组成的光学系统,利用相位屏方法,通过计算机的数值模拟,分析了非中心对称像差的光学元件之间波前像差的互补性.结果显示,经过元件装校姿态的优化调整,系统的光束质量由预期的4.916优化为1.187,显著地提高系统的最终光束质量.分析表明,这种方法可以推广到多元件系统的装调中,能进一步提高在传统计算机辅助装调后的系统光束质量.     

波像差与光束质量β因子的关系

分析了光学系统的波像差与对应的光束质量β因子间的关系，推导了光束质量β因子的近似计算公式。用数值计算方法建立了各种泽尼克多项式的波像差均方根值(RMS)与口因子问的拟合关系式。在此基础上，分析了科尔莫哥诺夫大气湍流引起的波像差与对应光束质量口因子间的关系。数值计算结果验证了推导的近似计算公式在相当大的像差范围内是准确的。     

康普顿型自由电子激光光导效应理论研究

对康普顿型自由电子激光（ＦＥＬ）光导效应进行了理论分析和数值计算。推导出适用于三维自由电子激光器中的电子束的等效折射率，说明高斯平面波激光场是电子束等效折射率按平方律分布即类透镜介质的结果。对自由电子激光强度和相位分布、光束半径以及等效折射率等进行了数值模拟，并对模拟结果进行了分析。     

高能激光热晕效应数值模拟方法的适用范围分析

热晕效应是影响高功率激光光束质量的重要因素之一,对这一效应进行合理的仿真,有利于高能激光的应用。针对目前模拟高能激光热晕效应的微扰法、积分法和相位屏法适用条件不清晰的问题,对三种数值模拟方法进行了系统的对比,并结合实验数据确定了每种方法最为合适的适用范围：广义畸变参数N<3时,选用积分法;34.8时,选用相位屏法。此外,利用可编程的液晶空间光调制器实现了热晕相位畸变的实验室模拟,得到的实验室模拟结果与数值仿真结果高度吻合。合理的数值模拟及实验室模拟对于强激光的实际应用具有重要的参考价值。     

光束波前畸变的模拟及其相位梯度分析

大口径光学元件的表面制造误差会使透射或反射波前产生畸变,这是天文光学系统以及ICF激光系统关心的问题.文章使用了一个随机相位屏来模拟光学制造误差导致的光束波前畸变,并利用波前相位梯度这个参数来对波前畸变进行定量化分析.介绍了波前相位梯度的定义和算法,通过数值计算得到了一维和二维波前畸变的梯度分析结果,并对不同畸变情况的模拟结果进行了比较.     

激光束的实时空间整形方法

在高功率激光系统中,激光光束的传输与放大,需要对输出的激光光束整形,包括对激光束几何形状与光强分布的整形,才能有效地控制光束质量,提升激光系统的输出功率。目前,通常的光束空间整形方法是采用针对特定输入光束(如均匀或高斯光束)的切趾光阑(如锯齿、波纹光阑)或结合空间滤波进行光束空间整形,而实际输入的光束并非是这样的理想型光束,所以上述方法在光束的空间整形中存在一定局限性,因此,研究实时、可调的光束空间整形尤为重要。对此,本文提出了对激光束进行实时、可调控的激光束空间整形的新方法,实时产生与入射光束相关的软边切趾光阑,结合空间滤波,获得所需形状的近"平顶"光强分布的近场光束。数值模拟结果表明新方法可以对实际激光系统的光束实现实时、有效的整形。     

大容差中波红外激光通信终端光学天线研制

为了降低激光通信光学系统公差要求,节省研制成本,减小大气散射对激光通信链路的影响,采用波长工作在大气窗口的中红外激光器作为激光通信光源,研制了与之匹配的中波红外激光通信终端光学系统。首先,利用激光通信能量链路传输方程,根据中波红外激光器光束参数和接收端探测器灵敏度,计算出光学天线口径、发散角等设计参数,并给出激光通信收发光学系统波像差要求。接着,利用ZEMAX软件进行了中红外激光通信收发光学系统的设计与公差分析,对两系统进行了加工、测试,完成了系统研制。测试结果显示,中红外激光通信发射光学天线光学传递函数与理论值最大偏离9.3%,接收光学系统波像差RMS为0.075λ (λ=4.7 μm),满足设计要求。结果表明:采用中红外激光作为激光通信光源可降低光学天线的加工装调难度。     

慧差对矢量偏振贝塞耳-高斯光束聚焦场的影响

利用Richards-Wolf矢量衍射积分公式,获得矢量偏振贝塞耳-高斯光束经具有初级慧差的高数值孔径系统聚焦后的三维光场复振幅函数,模拟了不同慧差系数下聚焦光场的纵向分布,以及焦平面和光轴上的光强。研究表明,初级慧差的存在导致矢量偏振贝塞耳-高斯光束的会聚光场发生偏移和变形,焦平面光强的分布和光轴上的光强峰值都受初级慧差和入射光偏振态的共同影响,偏振态和初级慧差不影响聚焦光场在光轴上的对称分布。     

新型激光投影显示方棒照明系统的设计

以非成像理论中光学扩展量的传递规律为依据,给出了激光二极管(LD)阵列作为光源的新型激光投影显示系统中方棒照明光路元器件尺寸及入射光束孔径角的确定方法。选用3×8红光LD阵列作为光源,0.45inch(1inch=25.4mm)硅基液晶(LCOS)芯片为空间光调制器(SLM),应用光学设计软件Zemax给出了方棒照明系统的设计实例,包括LD阵列光源光束整形系统、方棒匀光系统、方棒中继系统的设计。结果显示方棒照明系统具有较高的光能利用率及较好的光斑均匀性。由此得出较高光能传递质量的新型激光投影显示系统中方棒照明系统的设计方法。     

热畸变激光光束的闭环自适应补偿

随着基于硅微加工技术的微机电(MEMS)技术的发展,搭建低成本的自适应光学系统以校正激光束畸变成为可能。首先根据模态耦合理论分析了热畸变对光束质量的影响,并用数值方法得到理想基模和畸变基模耦合振幅与泽尼克(Zernike)畸变之间的关系。然后采用一种新型的微机电变形反射镜搭建了一个闭环自适应光学实验系统,用来对热畸变激光光束进行补偿,并对自适应闭环控制方法进行了研究。闭环实验结果显示闭环自适应光学实验系统能很好地改善激光束质量,斯特列尔比(StrehlRatio)平均可以达到80%。     

深紫外光刻投影物镜的三维偏振像差

深紫外光刻投影物镜是光刻机的核心部件,然而无论是照明光场偏振态的空间分布,还是光刻投影物镜自身的偏振像差都将改变光束的紧聚焦特性,对成像质量造成不可忽略的影响。基于三维琼斯矩阵,把偏振像差函数推广到三维空间,建立了三维相干光场中偏振像差的评价方法,并分析了典型的偏振敏感光学系统深紫外光刻投影物镜的三维偏振像差,详细阐述了其物理意义。研究发现:三维偏振像差函数的光瞳分布与视场、光学薄膜以及光学系统的自身结构密切相关。深入讨论了光学薄膜及偏振效应对光刻投影物镜成像质量的影响,进一步研究了照明光场的偏振态分布与光学系统波像差的关系,研究表明:光学薄膜引入的附加位相将导致光刻投影物镜的像质明显下降,而采用径向矢量光场照明可以改善成像质量。     

双变形镜对Yb:YAG板条激光器光束质量校正技术

分析了Yb:YAG板条激光器波前畸变的基本特征,结合光斑形态和功率密度,提出了采用水冷式13单元一维变形镜和95单元二维变形镜相结合的双变形镜组合模式对Yb:YAG板条激光器的波前畸变进行闭环校正。针对输出激光的特征进行了校正需求分析和校正能力分析,以此为基础开展了一维变形镜和二维变形镜的仿真及优化设计,同步开展了哈特曼和高压驱动系统等硬件的研制。研制出的变形镜经受了满功率出光考核,验证了内循环冷却装置对水冷式变形镜的冷却效果,随后在闭环校正实验中,将激光器的开环光束质量β=9.03提升至闭环的1.98,验证了双变形镜组合模式的自适应光学系统对Yb:YAG板条激光器光束质量校正的能力。     

宽发射面激光二极管光束整形系统的光学设计

宽发射面激光二极管作为泵浦源在全固态激光器中得到了广泛的应用,但由于快慢轴发散角太大和发光面的不对称,所以需要对其进行光束整形。针对发光面为1m（快轴）200m（慢轴）且远场光斑为矩形光斑的宽发射面激光二极管,分析了输出光束在平行于p-n结方向上光场（侧模）的多光丝分布特性。通过在ZEMAX非序列里,设置合理的光丝间隔、尺寸和以纵模为间隔的多个波长,模拟了与实际相符的远场光斑。利用圆柱透镜压缩激光二极管快轴发散角,再用自聚焦透镜进行聚焦,最后在离自聚焦透镜后端面1.8 mm处得到快慢轴方向长分别为0.15 mm0.17 mm的方形光斑,且快慢轴方向发散角分别为3.32.4。同时,通过实验逐步比较了光束通过每一个光学元件后光斑形状的变化和光强分布,结果表明:宽发射面激光二极管光束整形中,通过引入侧模光丝结构的矩形光斑模拟方法是可行的。