湍流大气中动态激光散斑的数值模拟

首先在分步傅里叶算法中引入了时变相位屏,模拟了真空中漫射平面激光回波动态散斑场,统计计算了真空散斑场的空间和时间相关函数,分析了目标运动速度和发射波束半径对散斑相关特性的影响.然后根据冻结场理论,模拟了湍流大气中激光波束照射漫射面的回波动态散斑场,分析了风速对散斑特性的影响.结果表明,相关长度由目标上的光斑尺寸决定,光斑越大,接收面上的散斑越小.而相关时间不仅受目标平面上的光斑尺寸影响,还受目标平面上的光场相位影响,光场相位随着位置的变化越快,相关时间就越短.     

湍流大气中含镜反射点漫射目标的电磁散射

基于广义惠更斯 -菲涅尔原理 ,研究了波束入射到湍流大气时 ,考虑漫射目标上包含一个或多个镜反射点 (该镜反射点半径远小于束宽 )时的散射统计特性 ,导出了散射场的互相关函数、平均强度、强度协方差和强度方差的公式 ,讨论了镜反射点的半径和离轴远近对归一化强度方差的影响。     

平动和旋转目标激光散射强度协方差统计特性

根据目标随机粗糙面激光散射特性,研究了平动平板和旋转圆柱散射强度协方差函数及功率谱密度统计特征.利用散射体不同材料表面高度起伏特征,数值计算了不同入射角和散斑半径时,平动平板和旋转圆柱归一化激光散射强度协方差函数随表面材料高度起伏的均方根及运动速度的变化情况.计算结果表明,平板目标归一化强度协方差函数随着表面高度起伏的增加反而减小,垂直入射时强度镜反射增强,起伏项(即漫反射)减弱,且平板目标速度越大其归一化强度协方差越小.激光散斑大小对旋转圆柱目标归一化强度协方差函数影响较大,旋转速度增加,其归一化强度协方差函数迅速减小.无论是平动平板还是旋转圆柱,其协方差功率谱密度都随着速度的增加而减小.     

动态激光散斑用于透镜轴向象差的测量

在高斯光束照明下，根据在平面内匀速运动的散射体经光学系统在观察面内产生的动态散斑的复振幅和强度起伏的空－时互相关函数，给出了散斑纯沸腾状态的位置，这位置恰好是点光源经过透镜的成象位置，由此提出了一种测量透镜球差、象散和场曲的新方法，并与其它方法作了比较。     

动态激光散斑用于透镜轴向象差的测量

在高斯光束照期下，根据在平面匀速运动的散射体经光学系统在观察面内产生的动态散斑的复振幅和强度起伏的空－时互相关函数，给出了散斑纯沸腾状态的位置，这位置恰好是点光源经过透镜的成象位置；由此提出了一种测量透镜球差、象散和场曲的新方法，并与其它方法作了比较。     

飞秒脉冲通过散射表面后的时域特性

从理论上和实验上对飞秒激光脉冲通过散射表面后的时域特性进行了研究分析.用频率分辨光学开关法对通过散射表面前后的飞秒脉冲进行了测晕和对比.理论分析和实验结果表明,由于散射表面对飞秒脉冲的散射导致飞秒脉冲的展宽和形状的畸变.输入脉冲在时间相关函数的半峰令宽为64 fs;透射脉冲在时间相关函数半峰全宽的平均值为117 fs.对透射脉冲场的统计特性进行了讨论,逶射脉冲场实部和虚部的概率甬数分布遵从高斯函数分布;强度的概率分布遵从指数分布规律;给出了入射飞秒脉冲强度的自相关函数分布和飞秒时域散斑场强度的互相关函数分布的实验结果,并且对二者的时间相关函数进行了讨论.     

湍流大气中漫射目标光散射特性研究

利用广义惠更斯-菲涅尔原理,研究了考虑对数振幅起伏时大气湍流中的漫射目标的散射统计特性,导出了散射场的强度协方差函数和强度方差的计算公式,并给出了数值计算结果。讨论了不同湍流强度、波长和传播距离对强度协方差函数和归一化强度方差的影响。     

基于相关全息原理的散射成像技术及其进展

由于随机散射效应,相干光束经过强散射介质后,出射光场变成光强呈无序分布的散斑场,因此无法直接从出射场获取入射光的信息。然而,在随机散射过程中,出射散斑场仍然携带着入射光场信息。从散斑场中获取原始信息以实现物体的重建是一个备受关注的研究课题。研究人员针对该问题提出了包括散斑相关、传输矩阵、波前调控及时间反演与相位共轭等技术。着重介绍了基于相关全息原理的散射成像技术,主要包括其原理、发展历史以及最新的研究进展,并对该技术的未来发展趋势进行了展望。     

基于相关视角多视校正的太赫兹阵列雷达散斑抑制方法

在针对人体安检的站开式太赫兹阵列雷达三维成像中,散斑效应严重影响了对体表隐藏违禁品的检测和识别性能,为此,对全息散斑进行有效抑制有着迫切的需要。利用目标旋转带来的角度自由度,结合目标散射对角度的敏感性,提出了一种基于相关视角多视校正的太赫兹全息雷达散斑抑制方法。在理论上推导了全息雷达散斑强度在相关角度照射下的归一化协方差表达式,给出了相关视角多视处理后的散斑对比度。在实验上利用340 GHz站开式MIMO阵列成像系统的快速成像的优势,对低速旋转目标在相关视角下的单视成像结果进行成像空间旋转校正、目标配准和多视处理。处理后散斑对比度降低至单视散斑的44％,散斑得到了有效抑制,目标轮廓明显,细节更加丰富。该方法能够在不增加系统复杂度的条件下有效抑制散斑噪声,实现图像增强。     

基于散斑理论重建光子相关谱信噪比判据

概述了现行的光子相关谱信噪比判据、建立过程及其不足。提出了动态光散射场的散斑场模型。讨论了动态光散射场中的散斑平均面积。利用统计方法重建了光子相关谱信噪比的散斑判据,并分析了散斑判据的物理意义。     

Statistical Properties of Laser Speckles Generated from Far Rough Surfaces

The statistical properties of speckle patterns generated from far rough surfaces, under illumination of a Gaussian beam, are investigated. The surface roughness dependence of the first- and second-order moments of intensity is theoretically investigated, and their analytical expressions have been derived and presented. The analysis indicates that the mean intensity distribution on the receiver plane is closely related to the ratio of the lateral correlation length to the surface root mean square (rms) height. On the other hand, the speckle size and the correlation degree of the speckle intensities are found to be independent of the parameter characterizing the roughness of a surface, and are only determined by the laser beam waist.     

激光光束在海水中的空间传输特性分析

由于激光的初始发散角以及海水对光的散射作用,激光在水下传输时光斑大小发生改变,从而影响接收机的接收范围。采用波长为514 nm的蓝绿激光,基于水下无线光通信信道模型,模拟光子在海水中的传输过程,通过统计不同传输距离时的光子数和光子位置,建立了海水信道中的光斑扩展模型,分析了海水水质对高斯光束的光斑空间特性的影响。结果表明:高斯光束在海水信道中传输时,根据光强比值定义光斑大小的位置,1/e光斑半径与传输距离呈线性关系,线性增加系数为光源的发散半角;当接收机灵敏度为确定值时,传输较短距离后光斑逐渐减小;光斑大小由接收机灵敏度决定,随着接收机灵敏度的增加,在相同距离下,接收到的光斑大小基本呈线性增加。     

偏振部分相干激光斜程湍流大气传输的漂移扩展

采用光场的一阶矩和二阶矩作为评价参数,研究了偏振部分相干激光波束在斜程湍流大气传输中的漂移效应和扩展效应。根据推广的惠更斯-菲涅耳原理,以椭圆偏振部分相干激光波束为研究对象,推导了斜程传输情况下波束的重心坐标、扩展半径和扩展角的表达式,数值分析了偏振波束两正交分量的相位差、方向角、波长、初始束腰半径和接收机高度对波束漂移及扩展的影响。结果表明,在确定的斜程传输距离和接收机高度下,随着偏振波束两正交分量相位差的增大,漂移效应先增大后减小,在确定的斜程传输距离下,接收机高度越高,波束的漂移效应和扩展效应越小。     

部分相干光束在大气湍流中传输的散斑特性

光束在大气湍流中传输时,大气湍流效应对光束进行强度和相位的随机调制,最终在远场处形成散斑。以部分相干高斯-谢尔模型（Gaussian-Schell Model,GSM）光束为研究对象,根据广义的Huygens-Fresnel原理、修正Von Karman谱模型,推导了GSM光束在大气湍流中传输时接收端光束的有效半径和平均散斑半径的表达式。利用数值计算对比分析光源相关参数和大气湍流对光束有效半径和平均散斑半径的影响。研究表明:光束的初始束腰半径越大、相干长度越小以及波长越小时,接收端光束的有效半径和平均散斑半径受湍流的影响越小;大气折射率结构常数越大,光束扩展越严重,此时平均散斑半径越小;光束有效半径和平均散斑半径随湍流外尺度增大几乎无变化,随湍流内尺度的增大而减小。所得出的结论对无线激光通信系统中光束的捕获、对准与跟踪（Acquisition,Pointing and Tracking,APT）系统的设计提供一个重要的参考价值。     

偏振部分相干激光在大气传输中的退偏特性

基于广义Huygens-Fresnel原理,利用Collins公式,讨论了偏振部分相干激光波束在湍流大气中传输的交叉谱密度函数,推导出经过偏振后的高斯-谢尔模型光束(GSM)在外场不同距离水平传输时波束偏振度的解析表达式。对偏振激光在大气湍流中传输时光束的退偏变化进行数值仿真,得到相同传输距离下,不同的偏振角和初始束腰宽度对光束偏振度的影响;同时分析了不同波长激光的退偏现象以及相同的偏振角度下,不同的初始束腰宽度对波束偏振度的影响。研究结果表明,不同的偏振角对波束的退偏不产生影响;波长越大,波束在大气湍流中传输出现退偏的现象越迟缓;初始束腰越大,大气湍流对波束的退偏影响越快。由此得出:偏振部分相干激光波束比部分相干激光波束在大气湍流中传输的退偏变化更具有规律性和稳定性,退偏现象表现得更加持久,并且初始束腰宽度的变化对偏振部分相干激光偏振度产生影响,但对部分相干波束偏振度的变化几乎不产生任何影响。     

水导激光技术中水-光耦合传能规律研究

水-光耦合传输效率是实现水导激光可加工性的前提与效率保证。为了研究水导激光中水-光耦合传能规律, 得到较高的水束中激光功率传输效率和均匀的激光功率密度分布, 采用光线追迹原理及物理光学传播方法, 仿真分析了1064nm激光束聚焦后的光束特性及水-光耦合后水束中激光光斑分布形态, 并对不同水束长度下激光功率传输效率, 以及不同功率、压力和水束长度下激光功率密度分布情况进行了系统的实验检测分析。结果表明, 随着水束长度的减小, 1064nm激光在水束中功率传输效率越高, 在水束长度为20mm时, 激光功率传输效率可达63.6%;激光功率的变化对水束中激光功率密度分布影响最大; 当激光功率不变时, 在水束稳定长度范围内水压的增大有利于水束中激光功率密度均匀化分布, 而耦合水束长度的减小可以提高激光传输效率。研究结果为提高水导激光中能量利用率有一定的指导意义。     

激光无线能量传输接收端光束匀化装置设计

激光无线能量传输中,激光光强分布不均匀和激光光斑与光电池形状不匹配会导致系统光电转换效率降低,局部温度过高,极端条件下甚至对光电池造成损伤。基于分布式匀化思想设计了一种激光接收装置,首先用光学整形扩散片在光电池各子区域进行光束初次匀化,然后用光学漏斗进行二次匀化和整形。针对1 cm×1 cm光电池,分析了光学整形扩散片的扩散角度和光学漏斗的高度对光束匀化效果的影响,优化后的激光接收装置的耦合效率η_c>95%,光强不均匀度Δ<0.05。此外,该激光接收装置对激光入射角不敏感,入射角为20°时,η_c>80%。搭建了3×3光电池芯片阵列的激光无线输能系统,采用分布式匀化激光接收装置,光强不均匀度由0.34降到0.12,光电池转换效率提升了65%。与正入射时相比,入射角为18°时,系统转换效率变化小于20%。结果表明,该分布式匀化激光接收装置有效提高了接收端的光强均匀性和系统光电转换效率,且对激光入射角不敏感,在激光无线能量传输中有重要作用。     

基于直边衍射的高斯激光驻波场仿真

为了研究原子光刻实验中基片对汇聚激光场的影响,基于标量光学理论,采用数值计算对直边衍射情况下高斯激光驻波场特性进行了仿真。结果表明,高斯激光的直边衍射效应会呈现与平面光波相似的强度振荡现象,两者直边衍射后的第1个强度突变分别为中轴线强度的1.18倍和1.37倍;随着束腰的增大,高斯激光的衍射越接近平面波;中轴线和基片表面距离会影响高斯激光截面进入直边几何阴影之外的大小;直边衍射后入射波和其经过反射镜作用的反射波相遇叠加在光轴方向上会形成稳定的驻波;这种驻波的强度在垂直光轴截面上呈现一定的衍射特性。该研究有利于理解直边衍射时高斯驻波场形成的实质;并可通过适当的激光参量来调整实验激光驻波场结构。     

Intensity modulation of a tightly focused partially coherent and radially polarized beam

Because of the circular symmetry of a completely coherent radially polarized beam,the azimuthal intensity component is zero when it is focused by a high numerical aperture(NA) objective.In this paper,we show that such a conclusion is not tenable under the illumination of partially coherent beam whose coherent property depends on the azimuthal angle.Taking the Gaussian Schell-model(GSM) beam for an example,the tight focusing property of a partially coherent beam is studied,and the intensity and its radial,azimuthal and longitudinal components are particularly researched.The results show that the percentage of the components on the total intensity depends on the correlation length of the partially coherent beam.The azimuthal intensity component is produced under the illumination of partially coherent beam.