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.     

基于H-V模型和Zernike法的激光大气传输模拟

激光在大气传输时会受到大气湍流等因素的影响, 导致光束质量下降, 影响激光作用效能。针对功率谱反演法产生的相位屏在低频部分表现不足的情况, 利用H-V模型对白天和夜晚条件下的激光大气湍流效应进行建模, 采用Zernike算法来构造大气湍流相位屏。仿真结果与Kolmogonov 统计规律符合, 结果显示Zernike算法可以对低频部分很好模拟, 随着阶数的提高, 高频部分也能较好体现。针对美国ABL系统和ATL系统参数对强激光束的大气传输湍流。畸变波前进行仿真分析, 得出ATL系统湍流相位屏最大PV值约为3.5λ, ABL系统湍流相位屏最大PV值约为7.5λ。研究结果能够对强激光自适应光学系统的技术指标分析提供指导。     

用于高重复频率热容主振荡功率放大器激光系统的波前检测技术

高重复频率热容主振荡功率放大器(MOPA)激光系统的工作过程一般只持续几秒至几十秒,在此过程中系统输出光束的波前畸变是动态变化的。采用环路径向剪切干涉(CRWSI)技术对高重复频率热容MOPA系统波前畸变的变化过程进行检测,并对系统的总体结构进行了设计。搭建了一个简化的实验系统,采用平凹透镜来代替光放大器产生波前畸变,并由此对环路径向剪切干涉仪的测量精度进行了验证。结果表明,实验测量结果与理论计算值之间的峰值误差为7.8%(0.02λ)。     

径向剪切干涉测量激光光束波前的研究

详细论述了环路径向剪切干涉（cyclic raial shearing interferometry,CRSI）测量激光光束波前的原理,介绍了傅立叶变换空间载波条纹相位提取方法,以及畸变波前的重建算法,给出了数值仿真结果,并且进行了实验研究,验证了该方法的有效性.     

综合斜程传输和光束扩展影响下的大气湍流相位屏组设计

设计了综合斜程传输和光束扩展影响下的相位屏组来模拟光束经大气层斜程传输后产生的波前畸变,先利用功率谱反演法和次谐波补偿法生成垂直传输路径的相位屏,再结合斜程大气传输理论对相位屏进行斜程修正,得到适用于模拟斜程大气湍流影响的相位屏。通过数值分析对比了斜程相位屏与垂直路径相位屏相位结构函数的差别。结合光束扩展情况计算每个高度区间对应的波前畸变空间分布,建立了相位屏组模型,最后得到接收光波面各位置的相位分布。     

预倾镜相位共轭系统在强激光对运动目标跟瞄中的应用

由于受到各种大气湍流、热晕等因素的影响．强激光在大气传输中会产生波前畸变，利用光学相位共轭技术可以补偿激光大气传输造成的波前畸变．提出了利用预倾镜方法实现对运动目标跟踪瞄准同时补偿波前畸变．对此项技术进行了室内模拟实验。实验结果表明采用预倾镜方法的有效性。     

湍流大气对无线光通信影响分析及解决方案

分析了湍流大气光传输特性,讨论了光信号闪烁对宽带光无线通信误码率的影响及解决方案。从湍流大气的经典功率谱模型与修正功率谱模型出发,分析了Rytov指数与光场波长的变化关系,讨论了其对传输光场强度起伏的影响,以及分别在球面波与平面波时的差异。从实验上模拟考察了湍流大气对宽带光通信的影响,提出了一种新的从光链路上矫正波前畸变、减弱信号闪烁进而降低通信系统误码率的技术方案。该方案基于遗传算法和无模型盲优化的方式,以Zernike多项式系数为向量,对波前畸变进行编码,根据畸变波前的Zernike多项式的系数实现波前重构。其特点是没有预先测量波前相位畸变信息,而是采用施特列耳比作为遗传算法的适应度评判标准,通过优化达到最佳的波前畸变补偿效果。分析结果表明,该方案对中等强度以下的湍流大气光传输具有明显改善效果。     

基于自适应光学的大气光通信波前校正实验

为了缓解大气光通信中由于大气湍流的影响而产生的波前畸变、反射等严重影响通信质量的现象,文章采用了自适应光学技术,即对畸变波前进行重构后再利用反射变形镜进行修正的方法,从理论分析、实验研究方面开展了自适应光学修正传输波前的研究工作。研究结果表明：在相同实验条件下,在保持链路误码率定量为（1×10-6）时,使用自适应光学技术比不使用时系统发射功率减小了50%。在近地大气激光通信中,自适应光学技术在增加系统增益,减小系统误码率方面效果显著。     

径向剪切干涉仪系统的研制与校准研究

为了测量超长焦距高功率激光系统的波前畸变,研制并校准了基于空间相位调制的径向剪切干涉仪。仪器采用多波长设计,满足可见光和红外探测的需要。为研制并校准径向干涉仪,同哈特曼-夏克(HS)传感器、Zygo干涉仪进行了对比实验。通过实验与理论对比,得到径向剪切干涉仪参数的最佳值。研究了汉宁窗的取值范围和边缘截取值的合理范围,结果表明,校准后的径向剪切干涉仪能够准确测量,仪器的重复性和精度都能满足高精度波前探测要求。     

激光大气传输相位不连续点的探测实验

利用30×30 Hartmann-Shack波前传感器对激光在大气中传输时产生的相位不连续点进行了探测.实验结果与数值模拟结果对比分析表明:强湍流条件下,探测到了相位不连续点,实验结果与数值模拟结果基本相符,并充分说明了相位不连续点是成对出现的.利用激光大气传输四维程序对激光大气传输相位不连续性问题进行了数值计算,分析了发射口径和网格精度对相位不连续点数密度的影响.     

Saturation-induced phase distortion in laser amplifiers

The effect of refractive index changes, caused by nonuniform saturation of the laser medium, on the wavefront of a beam propagating through a laser amplifier is considered. A number of examples of wavefront distortion are included. The effect of saturation-induced phase distortions on beam divergence and frequency modulation is discussed.     

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。     

盐水和沙子上方传输激光束波前畸变校正的对比研究

主要研究激光束在盐水和沙子两种下垫面上方传输时的波前特性,并采用自适应光学系统对波前畸变进行校正。建立了激光传输实验平台,基于自适应光学系统的输入输出数据建立了自适应光学系统模型,基于该模型设计了自适应光学系统闭环控制器,对比了激光束在两种下垫面上方传输时的波前畸变特性与自适应光学系统校正的差异。实验结果显示,在同样辐射加热的条件下,沙面上方的空气湍流对激光束波前影响更剧烈;经自适应光学系统校正后,波前传感器点位移方差在盐水情况下减少了28%,而在沙子情况下减少了10%。该研究为在海洋环境中利用闭环自适应光学系统进行光束波前畸变校正的可行性做出了初步探索。     

高能激光及其采样后大气传输中湍流及热晕效应的比较

通过数值模拟，比较了高能激光及其采样后在湍流大气中传输时远场中央长曝光斑的环同能量半径与扩展等情况。结果表明，在仅有湍流时两者保持不变，而热晕会导致光斑的进一步扩展；采样器的透光比越低，热晕对光斑的扩展影响越小；未采样高能激光的远场中央光斑相对于高能激光经采样后的远场中央光斑的扩展，可归因于热晕效应。因此，利用光束波前采样器对高能激光及其采样后在湍流大气中传输时的远场光斑特性进行比较，就可以诊断高能激光大气传输热晕效应。     

小尺度热晕不稳定性线性化普遍理论

本文利用小起伏线性理论，给出了在非均匀吸收大气并伴有随机风速切变情况下高能激光大气传输的对数光强起伏和相位起伏以及Strehl比的普遍表达式。Strehl比的计算结果表明，由于存在小尺度热晕相位校正的不稳定性，和湍流效应相位补偿不同，只有适当地选择变形镜驱动器的间距，相位校正才有效。随机风速可以部分地抑制小尺度热晕不稳定性与相位校正不稳定性，从而提高了高能激光发射的临界能量密度。但在实际大气中，它的数值还要比产生整束热晕相位校正不稳定性的临界激光能量密度小一个量级以上。     

契伯格-萨克斯顿方法反演相位的二次驱动改进研究

契伯格-萨克斯顿(GS)方法在反演相位时,其反演结果并不唯一。通过数值模拟,对GS方法用于反演激光光波相位的唯一性问题进行了研究,提出了一种对GS方法做二次驱动改进的新方法,并对经过改进前后模拟得到的反演结果及其误差特性曲线进行了比较。结果说明,改进的新方法不仅能够克服绝大多数相位的不确定性,反演结果准确性强,而且还加快了收敛速度。     

激光大气传输光波相位不连续性问题研究进展

激光在大气中长距离传输时,即使湍流很弱也会产生强湍流效应。在强湍流效应中,一个重要的问题就是光波的相位不再是连续的,相位不连续性问题会引起现有的自适应光学校正能力的降低。介绍了相位不连续点产生的机理和基本性质,阐述了激光大气传输相位不连续性问题近年来的研究进展,为激光大气传输及自适应光学校正技术研究工作的更好开展提供了参考。     

传递矩阵法研究高斯光束经逆抛物型梯度折射率纤维的准直特性

本文采用传递矩阵法研究了高斯光束在一种逆抛物型梯度折射率纤维中的传播规律,得出光斑半径、波面曲率半径与矩阵元之间的关系式。基于此,讨论了这种逆抛物型梯度折射率激光准直元件的原理。     

相位屏法研究平顶高斯光束的大气传输特性

由于理论研究和实验研究的局限性,用随机相位屏描述湍流大气对激光束的影响,模拟了平顶高斯光束经湍流大气传输时的远场光斑,并进行了统计分析。结果表明,平顶高斯光束经弱湍流大气传输时,短曝光光斑由中心小暗斑和外侧不规则的亮斑组成,湍流增强使光斑破碎,光强分布杂乱无章;对长曝光光斑而言,弱湍流情况下,光斑形状规则,光强分布存在中心凹陷现象,湍流增强使光斑变为椭圆,但光强变为近似成高斯分布。对于本文的参数值,湍流强度为C2n=10-16m-2/3时,光斑质心沿x和y方向分别在[-7.5 mm,7.5 mm]和[-10 mm,10 mm]随机变化,湍流增强使质心漂移标准差变大,同一湍流情况下,平顶高斯光束质心漂移的标准差要比高斯光束小。     

采用深度学习校正畸变涡旋光束的方法综述(特邀)

涡旋光束是一种携带轨道角动量的新型结构光场,在超大容量光通信、遥感探测等领域有着广阔的应用前景。涡旋光束在大气等非均匀介质中传输时会产生波前畸变,使得其携带的轨道角动量发生改变,对实际应用产生不利影响,因此需要引入自适应光学波前校正技术对其进行畸变校正。综述了近年来国内外学者在涡旋光束自适应畸变校正方面的研究进展,首先简要介绍了当前较为成熟的涡旋光束畸变校正技术,包括高斯光束探针与波前传感相结合、相位恢复算法与面阵探测技术相结合等技术方案;然后着重介绍了基于深度学习的新型涡旋光束畸变校正技术,包括泽尼克多项式系数反演、湍流相位屏反演等,同时讨论了将深度学习用于涡旋光束畸变校正的优势及局限性;最后展望了涡旋光束自适应畸变校正技术的发展趋势。