激光束光斑漂移反演大气湍流各向异性实验研究

设计了两束正交激光束光斑漂移的实时影像记录系统,进行了一系列的激光束大气传输外场实验,对比研究大气湍流环境下两正交方向激光束的光斑漂移,反演研究大气湍流的各向异性。实验结果表明,近地面大气湍流具有各向异性且表现为:一、与风向相关,当激光传输路径与风向夹角很小时,其垂直和水平方向的光斑漂移量会出现较大的差异,当激光传输路径与风向正交时,其垂直和水平方向光斑漂移量基本一致。二、与实时气温相关,表现为两正交激光束的光斑漂移量统计值在垂直和水平方向的四个分量中的不均匀分配,且气温降低会使不均匀分配的强度增加。分析研究成果,本文提出大气湍流各向异性强度指数A的概念,该指数的大小可以综合性的表征大气湍流各向异性特征及其强度。

非Kolmogorov湍流中激光光斑漂移的统计模拟

激光光束在湍流大气传输过程中光斑位置发生漂移,从而影响目标跟踪、激光通信等应用。本文采用功率谱反演法和低频补偿法构建等效结构常数的非Kolmogorov湍流随机相位屏,模拟高斯光束在非Kolmogorov湍流传输过程,对产生的光斑漂移量进行研究,提出了基于贝叶斯定理的光斑漂移估计模型。实验结果表明:漂移量估计精度随湍流强度和传输距离的增大而减小。光斑后验模型相较于移动平均模型的平均绝对误差小,估计精度较高。

氧碘化学激光器输出光斑漂移和变形研究

通过对高能量密度氧碘化学激光器运行过程中存在的远场光斑漂移和变形实验现象的分析和测量 ,得出在高能量密度激光系统中谐振腔的各反射镜的同心度对远场输出光斑的漂移和变形影响很大。指出提高谐振腔内各反射镜在大气中的同心度及降低在激光系统抽真空过程中光腔盒的不稳定程度 。

激光光斑漂移的检测

针对激光光斑漂移设计了一套光斑漂移检测系统。利用该系统实现了对He-Ne激光器出射光束漂移的检测。它采用CCD摄像头和图像采集卡采集激光器输出光斑,通过专门软件对数字图像进行处理,得出光斑漂移的大小;另外,利用几何光学方法得到了激光光束在X方向、Y方向以及空间立体角上的漂移大小。分析了引起光束漂移的原因。结果表明:He-Ne激光器出射光束的指向主要受温度、环境振动、空气扰动和激光器自身结构的影响。该系统能准确地测量出激光器出射光束的漂移大小,实现光束漂移的控制。

水平均匀大气中多束照明光在目标上形成光斑的漂移

给出了用Ｋｏｌｍｏｇｏｒｏｖ谱描述大气湍流时，在水平均匀大气中多束照明光在目标上形成光斑的漂移角方差的解析表达式。分析结果表明，ｎ束互不相关的光所成光斑漂移角的均方根差与单束光所成光斑漂移角的均方根差相比，减小了ｎ倍。随着这些光相关系数的增加，叠加光斑漂移角的均方根差也增加。当这些光完全相关时，叠加光斑漂移角的均方根差和单束光所成光斑漂移角的均方根差变得没有区别。

基于虚拟仪器的激光大气传输光斑漂移测量

光斑漂移对激光在大气中的工程应用具有重要的影响。设计了一个基于虚拟仪器的激光大气传输光斑漂移测量系统,以NI公司的LabVIEW为核心,通过其强大的硬件接口和CCD完成激光光斑图像信号采集,通过软件接口及Matlab强大的数据处理能力完成信号处理与光斑漂移分析,为激光大气传输特性研究提供了一种新的检测手段。

谱学显微光束线光斑水平漂移分析与检测

为提高上海光源搭建的国内首条软X射线谱学显微光束线站的整体性能,分析了其分光装置-变包含角平面光栅单色仪在波长扫描过程中影响谱学显微光束线光斑水平漂移的各个因素,推导出了各因素与光斑水平漂移的传递关系,并结合具体要求进行了误差分配。针对光斑水平角漂移重复精度的检测,采用自准直原理,构建了测试系统。利用该系统,完成了谱学显微光束线站光斑水平漂移重复精度的离线检测,其结果为0.67″,满足设计指标1″的要求。对安装调试后的束线进行了总体性能测试,结果均满足谱学显微设计和使用要求。由此表明,提出的对谱学显微光束线光斑水平漂移误差来源的分析及检测方法,有效保证了束线性能的实现。

利用位置敏感型光电倍增管测量光斑漂移的定标方法

将位置敏感光电倍增管(position sensitive photomultiplier tube,简称PSPMT)引入大气湍流引起的漂移效应的实验测量中。基于PSPMT的工作原理,分析了探测器的放置位置对输出信号的影响,通过实验方法对PSPMT进行了位置定标和增益定标,获得了入射光束在探测面上的位置坐标。测量结果显示:在入射光斑尺度达到厘米量级同时具有较高强度的情况下,一次采样无法正确反映入射位置。因此以若干次测量的统计平均值表示入射位置,并综合考虑采集卡的最高采样率、采样点和信号频率等因素,分析了在漂移测量中如何选择进行统计平均的数据点的个数。

定日镜光斑动态漂移特性的研究

以塔式太阳能热发电系统中的定日镜为研究对象,首先提出一种基于光学反射原理的定日镜反射光斑中心计算方法;然后在理想情况下分析不同塔高、不同位置、不同时刻定日镜光斑中心点的动态变化规律,进一步考虑跟踪误差对定日镜反射光斑漂移特性的影响;最后对矩形全镜场中春分日不同时刻的光斑动态漂移特性进行仿真计算并得出相应结论,为有效实现定日镜的追日聚光跟踪控制和参数校正,提高追日跟踪精度及全境场的聚光效率提供理论依据。

水下激光光斑漂移的一种检测方法

由于水下激光探测的日趋成熟,要提高探测精度,就要解决激光光束的漂移问题。而一般的光斑漂移检测多采用运算量较大并且复杂的数值计算的方法,文中通过采用直接对光斑图像进行处理计算的方法得到激光光斑中心漂移量及其概率密度分布。

海面大气边界层中聚焦光束漂移各向异性的实验研究

利用位置敏感型光电倍增管(PSPMT),设计了测量聚焦光束漂移的实验装置。该装置在80mm的有效探测面内实现了2维位置信号的直接探测,空间分辨率可达1 mm,明显优于四象限探测器和阵列探测器,最高采样频率可达80 kHz,且动态范围很大,优于一般的成像器件。在近海岸海面上5 m处的大气边界层中进行了距离为1 000 m的聚焦激光传输实验。测量结果表明:聚焦光斑的质心漂移具有各向异性,水平方向光斑漂移幅度一般介于5.61 mm和14.83 mm之间,垂直方向光斑漂移幅度介于3.54 mm和7.3 mm之间,两者之比的平均值为1.69;水平方向和垂直方向的光斑漂移功率谱密度(PSD)在低频段也存在差异,垂直方向光斑漂移的PSD比水平方向光斑漂移的PSD下降速率更快。

基于虚拟仪器的激光光斑自动采集与分析系统

为了得到激光光束的某些参量,为设计和改进激光器提供依据,建立了一套激光光斑自动采集与分析系统,搭建了实验平台,并编写了一套基于虚拟仪器开发平台LabVIEW及其图像处理软件包NI Vision的用于采集和分析激光光斑的软件。该软件能实时显示光斑中心位置的漂移轨迹、在x方向和y方向漂移的标准差及其随时间变化的趋势等,同时,还能对基模高斯光束进行分析。经过去噪处理的光斑图样能以3维灰度图的形式显示出来,得到任意剖面的光强信息,并以此进行高斯曲线拟合,得出拟合参量以判断光强曲线接近高斯曲线的程度。结果表明,这种系统可以动态地采集光斑信息并进行处理,具有实时性。

变包含角平面光栅单色器光斑横移分析

介绍了变包含角平面光栅单色器的光路布局及结构组成,分析了影响单色器光斑横移的因素,对受力变形引起光斑横移的因素,运用有限元软件Ansys进行了数值模拟;根据模拟结果(0.33″)对单色器的相关部件加工精度进行误差分配;按照分配误差要求完成单色器结构设计、加工、组装,对单色器出射光斑横向角漂移重复精度进行了测试,结果为0.7″。

准直LED光斑定位系统设计

针对准直激光在长期工作过程中很难克服的漂移问题,设计了一套准直发光二极管(LED)光斑定位系统。该系统将LED光源发出的光经透镜汇聚进光纤,再经过准直器准直输出,用CCD探测光斑图像,采用多圆拟合法定位光斑位置。将系统与定制的半导体激光器(LD)准直定位系统进行了长期稳定性对比实验。结果表明,所设计的准直的LED光斑定位系统光斑位置漂移量更小,稳定性更高,可以作为高精密光学测量的定位基准光源。

脉冲激光干扰面阵CCD成像系统的实验研究

为了研究脉冲激光对面阵CCD的干扰效果,采用近场模拟实验的方法,设计了重复频率脉冲激光干扰CCD成像器件近场实验。当CCD器件表面接收激光功率密度达到2.97mJ/cm2时,观察和记录了CCD器件串音饱和现象;当CCD摄像机电子快门打开时,除发射窗口有激光光斑图像外,激光脉冲在激光器出光口竖直方向也会形成偏离出光口位置的漂移光斑图像。分析了CCD摄像机电子快门作用机理及图像信号转移方式机理,并对光斑漂移现象给出了合理解释。结果表明,重复频率脉冲激光可使CCD图像上出现漂移光斑而对图像形成干扰。这为重频脉冲激光干扰CCD的研究提供了理论基础和初步实验验证。

测距光束光斑漂移的数值仿真

针对远距离激光测距,如地球同步卫星测距、激光测月,利用基于傅里叶变换的分步传播方法对测距光束在湍流大气中的上行传播进行数值仿真。根据大气结构常数廓线,采用等Rytov指数间隔法分布相位屏,与理论值比对的结果表明相位屏的分布合理。在此基础上,对光束的光斑漂移进行分析,得到光斑漂移量与准直测距光束束腰的定量关系,为测距激光倾斜修正系统的设计提供理论依据。通过对轴上点的闪烁指数分析,发现消除漂移效应后,存在使轴上闪烁指数最小的条件。

基于贝叶斯推理的激光光斑漂移特性

针对激光光斑漂移受多种干扰因素影响,测量准确性难以估计的问题,提出了基于贝叶斯推理的光斑漂移特性分析方法。在对贝叶斯定理进行严格推导、激光基模光斑特性进行分析、测量噪声对理想光斑漂移影响分析的基础上,构建了完善的基于贝叶斯推理的光斑漂移特性数学模型,对相关参数进行了严格的推导。仿真结果和理论分析符合较好,该方法可用于评估环境(热效应、环境振动和空气扰动)因素对激光漂移的影响程度。

真空激光波带片衍射系统成像特性的模拟分析

真空激光波带片衍射系统成像特性的模拟分析赖康生王晓旭（大连理工大学物理系光学教研室１１６０２４）采用计算机模拟的办法对较大尺度（１０００ｍ）的真空激光波带片衍射系统的成像特性进行了较为系统的分析。这种系统的原理如下：真空中传播的激光实际上是高斯光束；...

大气湍流对激光空间传输特性影响的实验研究

为了研究大气湍流对不同波长激光传输特性的影响,利用MATLAB对其进行了仿真,设计湍流模拟箱进行实验,将仿真和实验结果对比进行了理论分析和实验验证。对激光波前光强分布进行了观察与记录,并对不同波长激光束在相同大气条件下的光束漂移和光强起伏做了测量与分析;就大气湍流对线偏振光的偏振态影响进行了实验观测。结果表明,随着大气湍流的增强,激光波前光强分布容易受到明显的影响;激光束的光强起伏随着波长的增大而减小,其方差最高到达2.79×10^(-2),而光束漂移则与波长无关,方差最高到达9.11×10^(-12);线偏振光受到湍流效应的影响,其光强产生随机变化,且随着湍流强度的提高,变化程度更剧烈。实验测试数据结果与大气湍流理论相符合,这对激光大气传输的研究具有一定的参考价值。

超连续谱激光在湍流大气中传输特性的数值仿真研究

采用多层相位屏的数值仿真方法,综合考虑大气衰减效应和湍流效应,研究了不同湍流强度和不同源相干度条件下超连续谱激光的光束扩展、光斑漂移以及闪烁特性,并对比分析了超连续谱激光传输与单色激光传输特性的差异.结果表明:湍流越强或源相干度越好,超连续谱激光的相对光束扩展越严重;湍流愈强,光斑漂移愈严重,但不同源相干度的超连续谱激光的质心漂移方差几乎相等;降低超连续谱激光的源相干度可以在一定程度上减弱光强起伏的闪烁效应,并降低闪烁指数对离轴距离的依赖性;与单色激光相比,湍流对超连续谱激光的光束扩展以及闪烁效应影响较弱,而质心漂移效应两者差异不明显.单色激光大气传输的数值仿真结果与理论解析结果基本吻合,在一定程度上说明了数值仿真过程的可靠性.该研究不仅提出了一种获得超连续谱激光大气传输特性规律的有效仿真手段,而且为超连续谱激光传输的工程应用提供参考.