激光远场焦斑测试技术的实验研究

实验研究了激光远场焦斑能量分布测试的三种方法(长焦距透镜法、列阵相机法、RattlePair法),对三种测试方法得到的实验数据进行了比对,系统地分析了每种方法的优缺点。结果表明,采用长焦距透镜与一对微楔角劈板组合测试激光远场焦斑的方法更具优势,可减少测试系统引入的像差,并使图像处理过程得到简化。

基于远场焦斑测量数学模型改进的CNN去噪方法研究

针对基于纹影的高动态范围远场焦斑测量数学模型没有考虑噪声对测量结果影响的缺点,本文对基于纹影的远场焦斑测量方法从三个方面进行优化.首先,改进基于纹影的远场焦斑测量数学模型,将噪声作为影响实验结果的重要因素引入数学模型中,使该数学模型和真实的实验环境相匹配,提高了该数学模型的实用性和理论支撑作用;其次,将基于卷积神经网络的去噪算法(DnCNN)引入主瓣和旁瓣CCD图像去噪处理中,并改进该去噪算法存在的不足,使得能够有效去除主瓣和旁瓣12位图像、不同级别(0~75 dB)的噪声;最后,完整仿真了远场焦斑测量实验的全过程,包括分光、衰减、加噪声、纹影小球遮挡、去噪、衰减倍率放大、焦斑重构等,获得了有效的焦斑重构实验结果,其中重构焦斑图像和理论焦斑图像的相关系数为0.9989,重构焦斑动态范围与理论焦斑动态范围之间误差为3.22%.仿真实验结果表明,通过该数学模型和DnCNN去噪算法的改进措施,验证了改进的数学模型必要性和DnCNN去噪算法在提高重构焦斑二维分布和动态范围精度方面的优越性能,提高了基于纹影的高动态范围远场焦斑测量的可信度,满足了高动态范围远场焦斑测量对于精度和效率的要求.

基于旁瓣光束衍射反演的强激光远场焦斑测量方法

针对大型激光装置使用纹影法无法实现旁瓣光束弱信号区域光强分布精确测量的问题,提出了基于旁瓣光束衍射反演的纹影法强激光远场焦斑测量方法。采用逆向推演间接测量的研究方法,沿光路传播逆方向推导,以旁瓣光束衍射光强图像和相位图像作为输入,通过计算获得未遮挡前旁瓣光束远场焦斑分布。相比传统基于纹影的远场焦斑测量方法,本文的主要改进和优化措施为:首先,基于旁瓣光束衍射反演的原理和间接测量的思想,改进纹影法强激光远场焦斑测量数学模型,从理论角度揭示该模型的合理性;其次,实验仿真强激光远场焦斑测量的整个过程,主要步骤为旁瓣光束衍射、加噪去噪、旁瓣光束衍射反演、焦斑重构等,验证了该方法的可行性;最后,将改进的DnCNN算法用于去除主瓣和旁瓣光束12位科学CCD图像不同级别(0~75 dB)的噪声,提升了远场焦斑的重构精度。实验结果表明:该方法不仅消除了纹影小球对旁瓣光束衍射的影响,而且获得了真实的旁瓣光束弱信号区域的光强分布,包括旁瓣光束各个波峰的幅值和位置、动态范围比值等远场焦斑测量重要参数,其中重构焦斑动态范围比值与理论焦斑动态范围比值之间的误差为3.20%,提高了基于纹影的强激光远场焦斑测量的可信度和实验精度。

正交光楔激光远场焦斑测量方法

为验证正交光楔激光远场焦斑测量方法在提取光斑高频组分、扩展CCD测量动态范围和减小光束质量测量误差等诸方面的有效性,以常用的光束质量因子作为衡量新方法有效性的指标,建立离焦光斑强度分布理论模型并搭建相应的实验平台进行实验验证。验证结果表明:新方法与传统远场测量方案相比,使实验所用CCD的测量动态范围拓展了约9倍,实际光斑远离中心主核区域的大量高频旁瓣分布特征从CCD背景噪声起伏中凸显出来,光束质量因子的测量平均相对误差也有约16%的精度改善。

光通信中激光发散小角度远场焦斑测量法探讨

本文针对光通信中激光发散小角度的测量中使用远场焦斑的方法进行简单讨论,并对此测量方法的原理和存在的误差作进一步探讨。

光通信中激光发散小角度远场焦斑测量法

根据激光发散角经准直后的微小角度的测量理论,提出了采用远场焦斑和CCD进行快速准确的测量方法,最后实际测出了激光准直后的远场发散角。实验证明:采用该方法可以达到空间光通信的激光发散小角度微弧度量级的要求,并且所带来的误差小于国际标准组织规定的最大值。

数字微镜器件的远场焦斑测量方法

提出了一种基于数字微镜器件(Digital Micro-mirror Device,DMD)的高功率激光远场焦斑大动态测量方法。采用DMD对焦斑主瓣和旁瓣区域进行分离,用两路CCD分别测量,通过图像拼接实现两路测量结果的融合,获得大动态焦斑数据。DMD由数字信号控制,通过改变控制信号模板,可以快速适应不同形态焦斑的测量。具体分析了DMD焦斑分割原理及DMD控制信号模板的获取,说明了焦斑重构时所需的图像校正和对准方法,实验验证了新方法的可行性。结果表明:文中方法的测量动态范围可以达到3 000:1以上。

CCD光电响应非线性特性对激光远场焦斑测量及光束质量计算的影响

建立圆环形聚焦平面光束通过Kolmogorov湍流大气的远场传输模型,考虑实际CCD所存在的"死区"及非线性饱和效应等非线性光电响应特征,以中心遮拦比为0.5的圆环形聚焦光束为例,分别计算了其通过不同强度湍流大气传播至远场焦平面上的实际真实远场光强分布曲线和CCD测量远场光强分布曲线,并以峰值斯特雷尔比RS、光束质量因子β和环围能量比Ree三种参数作为评价远场光斑质量的指标,考察了死区大小以及光斑非线性饱和程度对实际远场光强分布的测量和光束质量评估的影响,对计算结果以及减小测量误差的解决途径进行了分析讨论。

基于衍射光栅的远场焦斑测量新方法

提出一种基于一维线衍射光栅的焦斑重构和远场测量新方法,从理论上分析了新方法在拓展测量仪器动态范围、提取远场焦斑高频旁瓣信息的有效性及方法的适用条件。基于实验室现有的一套远场测量系统平台及自行设计的一维线衍射光栅,以远场环围能量(PIB)曲线作为检验新方法有效性的指标,通过数值仿真和实验相结合考察了新方法的有效性,并从准确测量远场焦斑质量的角度探讨了不同减阈值的去噪方式对焦斑重构结果的影响,对结果进行了分析讨论。

柱面镜旋转对整形光束远场焦斑的影响

基于惠更斯-菲涅耳衍射理论进行数值计算,发现柱面望远镜整形系统的柱面镜旋转失调不仅会导致平行光束远场焦斑旋转倾斜,还会导致其在倾斜方向上出现拉长、离焦现象,该像差来源于柱面镜旋转导致的像散与离焦的叠加,上述结果说明远场焦斑的离焦也可以出现在旋转失调的柱面镜整形系统中。此外,定量给出包含激光中心波长、整形光束尺寸、柱面镜间距、放大率的归一化相位系数与远场焦斑形态的相关关系,该系数可以用于评判柱面整形系统对柱面镜旋转失调的敏感度。最后搭建了相应的实验装置进行验证,实验结果与计算结果较好地吻合。

基于多步相位恢复的激光远场焦斑测量方法

为了实现激光远场焦斑的高精度测量,提出一种基于多步相位恢复的激光远场焦斑测量方法。理论推导了基于多步相位恢复的激光远场焦斑重构模型,其中为了解决焦斑计算中出现的欠采样问题,引入了线性调频z变换(CZT)技术,相较于传统的快速傅里叶变换(FFT)补零计算,此方法避免了计算冗余。同时,提出一种基于多步相位恢复的激光远场焦斑重构算法,并仿真分析了扫描步长和探测位置数对所提方法收敛性的影响,确定了最佳扫描步长和探测位置数。为了验证所提方法的有效性,搭建了基于纯相位型液晶空间光调制器(SLM)的实验验证装置,实验结果和理论值的相关系数为0.9976。同时,所提方法与传统长焦距透镜成像法相比,测量精度更高,可为激光远场焦斑高精度测量提供一种技术手段。

高动态范围激光焦斑测量数学模型研究

提出了一种高动态范围的激光焦斑测量方法.首先,构建纹影测量远场焦斑数学模型,确定重构需要的参数,并使用准直光路对参数进行标定;其次,运用综合诊断快速自动准直系统使纹影小球遮挡住旁瓣光斑中心,获得准确的旁瓣光斑;最后,改进计算纹影小球中心及图像融合等方面的纹影重构算法,克服了传统纹影重构方法中主瓣旁瓣中心误差大、合并图像拼接边缘台阶明显的缺点.对大型激光装置参数测量综合诊断系统的远场焦斑测量应用表明:通过对纹影测量远场焦斑数学模型中参数的精确标定以及对纹影重构算法的优化,能够实现高动态范围激光焦斑的准确测量.

高功率激光光学元件面形参数表征

针对神光Ⅲ原型装置使用的光学元件,基于国内光学元件加工现状,结合空间频段的概念,对高功率固体激光驱动器所需光学元件不同的面形评价参数进行了阐述。结合对激光远场焦斑的影响,对面形评价参数的重要性进行了举例说明。提出了面形的综合评价方式,全面界定面形各项评价参数,对光学元件的评价具有一定的参考价值。