激光中继镜系统的上行光束模拟

介绍了激光中继镜技术的概念和激光中继镜系统的工作过程,分析了该系统的优势和应用范围,建立了激光中继镜系统上行光束模型并近似为一真空远场衍射模型。分析了上行光束的传输方式并计算了理想条件下不同传输距离Z处接收光场H(R)的强度、相位分布以及能量接收效率η与接收望远镜口径R和传输距离之间Z的关系曲线,最后对结果进行了分析。得出在理想情况下,当中继镜系统采用1.5m口径的望远镜发射和接收波长3.8μm激光束时,随着衍射距离的增加,接收场的衍射远场特性逐步显现,对传输距离在50km范围内,系统的能量接收效率在85%以上。

斜程传输中继镜系统作用效果模拟

建立了斜程传输中继镜系统模型,由地基系统、中继镜平台以及必要的地面和通信链路等组成,光源为1064nm、100kW功率的理想固体激光,中继镜平台位于光源斜上方45°、距离14.14km处,发射、接收、二次发射望远镜内外径分别为0.1m和0.5m。分析了模型参数条件下中继镜系统上行光束最优传输方式;在某地实测大气条件下,利用激光大气传输"4-D"程序及相关程序模块分别计算了中继镜系统和地基激光直接对高度100m、飞行速度500m/s目标的作用效果。根据相关标准以及中继镜系统对目标可作用时间长的特点,选取地基系统直接作用和中继镜系统作用的破坏阈值分别为3cm平均桶中功率密度1000W/cm2和200W/cm2,分析得出:直接作用与中继镜系统作用的最大水平距离分别为4.3km与8.8km;对不同位置目标选择不同作用方法,整套系统可完全覆盖18.8km水平距离的作用范围,大幅度拓宽了单一地基激光的作用范围。

激光中继镜系统的上行传输光束整形

激光中继镜技术是近年来备受瞩目的一项新技术,能量耦合效率是中继镜系统的关键因素之一。中继镜系统采用双望远镜结构实现光束上行传输与接收,光束上行传输过程中,由于衍射作用造成中心能量聚集和光斑扩展,且由于接收望远镜次镜的阻挡和主镜接收口径有限,造成系统能量严重损耗。文中建立了双望远镜系统模型,通过控制优化出射光场的相位分布,实现了对上行传输过程中接收光场的整形,降低了衍射作用、大气湍流和系统次镜阻挡引起的系统能量损耗,提高了系统的能量耦合效率;计算了不同参数望远镜系统垂直传输10 km、30 km、50 km距离下的结果,结果表明:通过光束优化整形,系统的能量耦合效率得到了有效地提高。

中继镜系统上行传输的数值模拟

利用激光大气传输四维程序,在H-V5/7湍流模型下建立了双望远镜中继镜系统上行传输模型。数值研究了地面发射功率对中继平台接收望远镜与地面发射望远镜之间的耦合效率以及中继平台接收功率和接收光场远场峰值功率密度的影响。结果表明:在文中的条件下,中继平台接收功率随着地面发射功率的增大而增大,同时,中继接收望远镜与地面发射望远镜之间的耦合效率和中继平台接收光场的光束质量随着地面发射功率的增大而下降;存在一临界热畸变参数NDc,当上行传输的热畸变参数超过这一值时,中继平台接收光场的远场峰值功率密度不再增加反而下降。对不同湍流效应下的中继镜系统上行传输的临界热畸变参数作了进一步研究,得到了临界热畸变参数随D/r0值变化的拟合关系式NDc=22.36×e-0.26(D/r0)+36.87。

激光中继镜传输的等效菲涅耳数分析

中继镜系统被认为是一种能有效降低大气对激光影响并提升激光打击范围的新型高能激光系统。激光中继镜传输优势评判标准以及应用优势范围分析是中继镜技术研究的重要内容。文章建立了中继镜系统光束传输模型,详细推导了真空和湍流条件下激光中继镜传输过程的等效菲涅耳数,分析了光束中继镜传输过程的性能评价因子以及光束传输性能与等效菲涅耳数的关系,在此基础上分析了激光中继镜传输应用优势范围的求解方法,并对Hufnagel-Valley 5/7湍流模型条件下光源波长3.8μm、高度30 km的激光中继镜系统进行了数值模拟。结果显示:地球大气湍流条件下,中继镜系统能提升激光对远距离、高空目标的打击效果,拓展激光的打击范围。

孔径匹配对中继镜系统上行传输影响的模拟与分析

利用激光大气传输四维程序,建立了双望远镜中继镜系统上行传输模型,研究了孔径匹配对中继镜系统上行传输的影响。选择去除畸变相位后接收光场的远场峰值功率密度作为中继镜系统上行传输的性能指标,通过光束在真空中传输的计算,得到了接收口径一定时不同发射口径对应的最优发射焦距,并对不同发射功率激光在大气中上行传输的情况进行了模拟计算。结果表明,当接收孔径一定时,随着发射孔径的增大,最优发射焦距减小;增大发射孔径,可以增大临界发射功率;当发射功率较小时,在一定发射口径范围内,发射口径的变化对中继镜系统上行传输的性能指标影响不大,当发射功率较大时,增大发射口径可以有效提高中继镜系统上行传输的性能指标。

中继镜系统作用效果与上行链路望远镜口径关系分析

建立了中继镜系统模型,计算了30km高度中继镜系统作用效果与上行链路望远镜口径的关系,结果显示:当望远镜口径低于0.42m时,系统作用效果随着望远镜口径增大而显著提升;在0.42～0.54m范围内,系统作用效果随着上行链路望远镜口径增大而显著降低;当望远镜口径大于0.54m时,系统作用效果随着上行链路望远镜口径的增加而增加,但增加的幅度逐步降低,当望远镜口径增加到一定大小后,系统作用效果趋向于稳定值,望远镜口径的增加对系统作用效果不具有提升作用。分析了系统作用效果在0.42～0.54m范围内出现突降的原因,计算结果显示:上行接收光束强度不均匀性导致二次光源光束质量的急剧下降,进而降低了系统作用效果。文章的计算结果为中继镜系统参数设置提供参考。

光刻机照明系统中继镜组的光场均匀性优化设计

提出了一种快速计算光学系统像面照度均匀性的算法,通过近似算法计算系统数值孔径,并利用出射光瞳数值孔径表征像面照度。利用该算法计算光场不均匀性,将其作为自动优化过程中的评价函数之一,优化设计光刻机照明系统中继镜组。通过Light tools软件对设计的中继镜组进行仿真验证,结果表明不同相干因子照明下掩膜面上的光场不均匀性均小于0.5%。通过实验测试了设计的中继镜组的积分均匀性,结果表明各相干因子下,光场不均匀性小于1.21%,能够满足掩膜面上光场不均匀性的指标需求(<1.5%),验证了该快速评估算法可有效应用于中继镜组优化设计中。

激光中继镜系统的上行传输光束整形

本文分析了激光中继镜系统的上行传输光束整形。作为近几年来国内重视程度较高的一项新型技术,激光中继镜技术得到了广泛重视。能量耦合效率作为中继镜系统的内部核心因素之一,对光束传输起到了一定的影响。因此这时需要建立双望远镜系统,并采取优化设计进行传输过程整形降低衍射作用,对上行传输光束的影响,提升能量耦合效率。

美国利用航空航天中继镜系统改变激光方向

美国利用“航空航天中继镜系统（ARMS）”来改变一束激光的方向，并射向一个目标。这次验证试验利用1／2比例大小的战略中继镜，在科特兰空军基地研究实验室进行。ARMS将最终搭载航天器或太空飞船进入高度轨道，与空基、地基或海基高能激光器共同破坏弹道导弹和其他目标。通过减少大气对激光束的作用将其射程延长到视线之外．中继镜系统将大幅提高激光武器系统的性能。

战术激光中继镜系统

激光中继镜技术将激光源与光束控制部分离,降低了大气等因素对激光性能的影响。介绍了激光中继镜的概念及工作过程,分析了战术激光中继镜系统的优势与面临的技术挑战,最后介绍了美国中继镜技术的发展概况。

100kW功率固体激光中继镜系统对1km高度目标作用效果模拟

分析了激光中继镜技术的概念及工作过程,建立了中继镜系统模型,并在Hufnagel-Valley 5/7大气湍流模型条件下分别计算了100 kW功率,10 km高度,发射、接收、二次发射望远镜均为外径0.5 m、内径0.2 m望远镜的固体激光中继镜系统和100 kW功率,外径0.5 m、内径0.2 m发射望远镜的常规高能激光系统对1 km高度目标作用的极值功率密度与目标水平距离的关系曲线。由于中继镜系统对目标可作用时间长,根据相关资料确定常规激光系统和中继镜系统的极值功率密度破坏阈值标准分别为4000 W/cm2和800 W/cm2。分析结果得到常规高能激光系统对目标的最大可作用距离为1.38 km,中继镜系统的最大可作用距离为12.2 km。

高斯涡旋光束分析及其在中继镜系统中的应用

提出了一种以高斯涡旋光束作为光源,实现中继镜系统上行链路能量损耗有效降低的新方法。计算了以高斯光束为光源的30km高度中继镜系统上行链路能量损耗情况,结果是,系统上行链路的能量耦合效率为76.48%,接收望远镜次镜阻挡作用造成了主要能量损耗,阻挡损耗的能量占总能量的22.85%。分析了涡旋光束中心暗核大小及形态与光束参数的关系,结果是,暗核的形状由光束相位涡旋量决定,仅当光束相位涡旋量为2π整数倍时,暗核为圆形;暗核的口径大小分别随着光束相位涡旋量的增加和光束传输距离的增加而增加。计算了以高斯涡旋光束作为光源的30km高度中继镜系统上行链路能量损耗情况,结果是,以高斯涡旋光束作为光源时,系统的能量耦合效率可达到97.25%,有效地降低了系统上行链路的能量损耗。

用于提高中继镜系统能量耦合效率的光束整形

光束上行传输能量耦合效率是中继镜系统的关键因素之一,通过利用随机并行梯度下降算法(SPGD)优化出射光束的相位分布实现接收光场的光束整形,提高系统的能量耦合效率。建立了双望远镜系统模型并计算了0.10.5 m双望远镜系统垂直传输10 km和30 km的结果。结果表明,通过整形,中继镜系统的上行传输能量耦合效率得到了有效的提高。

100 kW固体激光中继镜系统模拟

建立了中继镜系统模型,并进行了一定的近似,存某地区特定大气条件下,利用激光大气传输四维程序及相关程序模块,分别计算了固体激光中继镜系统和常规地基高能激光系统对1 km高度,1 km/s飞行速度目标的作用效果。根据中继镜系统对目标可作用时间长的特点,选取常规激光系统和中继镜系统的破坏阈值分别为3 cm桶中功率28.27 kW和5.655 kW,分析得出常规高能激光系统可作用目标的最大水平距离为4.6 km,中继镜系统可作用目标的最大水平距离为11.3 km。与常规高能激光系统相比,中继镜系统降低了大气对激光的影响,拓宽了激光系统的作用范围。

基于涡旋光源和相位优化的中继镜系统上行链路光束传输缩比实验研究

激光中继镜技术是一项备受各方瞩目的新型系统作战概念。光束在上行链路传输过程中，接收望远镜的截断和次镜的阻挡导致了严重的能量损耗，降低了中继镜系统的性能。涡旋光源和相位优化是提升激光中继镜系统上行链路能量效率的有效方法之一。以光源口径为1．2m，上行传输距离为30km，上行接收望远镜外径为1．2m，内径为0．24m的中继镜系统为原型，搭建了相同菲涅耳数的中继镜系统光束上行传输缩比实验装置，通过液晶空间光调制器反射调制Nd；YVO。光源的方法产生涡旋光源，并由随机并行梯度下降算法优化涡旋光源相位分布，开展了中继镜系统上行链路光束传输缩比实验研究。实验结果表明，通过采用涡旋光源和相位优化，中继镜系统上行链路能量效率得到了显著提高，由71．89％提升至91．59％。

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。

中继反射镜能量特性研究

介绍了地基激光加天基中继反射镜体系的系统组成及基本工作原理,重点对中继反射镜的能量特性进行了分析,得出了作用距离与中继镜口径和目标辐照度的关系,并给出了计算的实例.其结果进一步说明了中继镜原理上的可行性,提出了中继反射镜技术发展应该重点考虑的关键技术.研究结果对于实际中继反射镜系统的设计有一定的参考意义.

8~32倍连续变倍枪瞄镜光学系统设计

为满足枪瞄镜在军品中的需求,设计了一套可实现8~32倍连续变倍的枪瞄镜。阐述了本套枪瞄镜的设计思路与设计方法。首先根据设计指标,对物镜组,目镜组以及中继转像镜组进行指标分解计算。随后对物镜、目镜以及整个枪瞄系统进行高斯光学设计,确定整体系统的复杂程度及光学结构参数。然后根据高斯结构设计结果,进行初始结构选择,依据设计指标选择优化操作数,进行系统优化。最后完成整体系统设计与优化结果的评估。最终的设计结果中:枪瞄镜物镜口径56 mm,目镜口径50 mm,系统总长410 mm;低变倍比组态畸变2.4%;高变倍比组态的轴上弥散斑半径6.2μm,轴外弥散斑半径8.3μm,像差指标符合设计要求,有效地解决了产品加工成本较高的问题。

一种用于大气探测的紫外成像仪光学系统设计

提出了一种将全景成像系统应用到大气临边探测的光学系统设计方案。首先考虑到特殊的工作波段以及创新性应用,根据应用技术指标,在传统全景环形透镜的基础上,结合探测器尺寸限制,精细调整四个球面的曲率半径,以便得到最佳光学传递函数。然后基于像差理论设计中继镜组系统,补偿全景环形透镜产生的像差,采用折射率n以及阿贝常数ν不同的双分离的正负透镜组合,负透镜采用熔石英,正透镜采用氟化钙,从而使色差最小。最后运用CODE-V光学设计软件对系统进行优化,列出重要的公差参数,为后续加工装调提出要求。优化结果表明,光学系统在各个视场的光学传递函数均达到了0.7以上,各视场能量集中度为80%的弥散圆直径均小于11μm,完全满足设计指标要求,也证明了将全景环形成像系统应用到紫外波段大气临边探测的方案是可行的。