粗糙海面对高斯分布激光光束的反射模型推导

研究激光光束海面反射光强的方向分布特性对海上光电对抗等领域的工程实践具有重要意义.本文采用分形方法模拟粗糙海面,并在海面基准坐标系中建立起描述粗糙海面几何特征的数学方程,然后基于蒙特卡罗方法模拟高斯光束,依据几何光学原理在基准坐标系下推导了高斯光束的海面反射模型,采用该模型可以编程计算激光光束海面反射光强的方向分布.将模拟计算结果与实验结果进行了对比分析,结果表明该模型可以较好地反映激光光束海面反射光强的分布趋势,验证了模型的有效性.     

二维粗糙海面的光散射及其红外成像

首先根据JONSWAP海面功率谱模型数值模拟出二维粗糙海面，采用几何光学近拟与基尔霍夫（Kirchhoff）标量近似计算了二维海面的光散射，计算中将每一面元看成一具有微粗糙度的粗糙面而不是近似地当作平面，并利用投影法与射线追踪法数值计算了一定入射角和散射角下的遮挡函数，有效地提高了海面光散射计算的精确性。最后利用太阳光的光谱辐照度数值模拟了海面的3μm-5μm红外散射图像，对于红外探测器抑制海面反射太阳光造成的亮带干扰具有一定的参考价值。     

基于数值方法的激光海面漫反射通信能量分布特性

 针对激光点对点通信方式的不足,提出了利用海面作为激光漫反射媒介进行组网通信的设想,采用前后向迭代的数值方法结合Green函数谱积分加速算法(FBM/SAA)对激光海面漫反射通信的能量分布特性进行了研究。通过对激光光束入射海面后产生的散射场的分析、计算及实验验证,得出了较为准确的2维激光海面双站散射系数,并对激光光束入射海面后的散射场进行了分析。研究结果表明：入射激光束经过粗糙海面散射后,能量大部分集中在前向散射区域上,而后向散射强度很弱,且在散射场的边缘处能量迅速衰减,说明了激光海面漫反射组网通信方法的可行性。通过与前后向迭代法和Kirchhoff近似方法的计算结果的比较,说明了FBM/SAA是一种高效、准确的计算方法。     

激光辐照猫眼光学镜头时的反射特性机理研究

运用矩阵光学理论以及将硬边光阑窗口函数展开为有限个复高斯函数之和的方法, 对激光束辐照猫眼光学镜头时产生的猫眼效应机理进行了理论推导. 通过数值计算对猫眼效应的反射规律进行了分析, 并利用532nm激光辐照一个变焦范围为12—72mm的光学镜头进行了猫眼效应的实验验证, 从而得出了猫眼效应反射光特性与入射激光参数以及猫眼光学镜头的口径、焦距、离焦量等基本参数之间的关系. 研究表明, 猫眼效应反射光特性与猫眼光学镜头参数和入射激光参数密切相关, 且当猫眼光学镜头位于近场和远场的情况有很大不同. 根据入射光束 关键词： 猫眼光学镜头 猫眼效应 高斯光束 反射特性     

光学方法对润湿效应形成弯曲液面的理论及实验研究

利用光学方法对润湿效应下的弯曲液面进行了研究.当准直、扩束的激光垂直入射到弯曲液面上时,其反射图样中心为一圆形暗场,周围为明场的光强分布,暗场大小与入射光束所覆盖的液面面积有关.当入射光束直径较小时,反射图样中暗场尺寸较大.随着入射光束直径增大,暗场区域变小.根据液面形成机理,从几何光学角度对这一现象进行了研究和分析,得到了弯曲液面高度随距离变化的解析关系式,并与Yong－Laplace方程进行了比较,实验和理论符合较好.     

基尔霍夫近似下激光海面漫反射组网通信特性

 针对激光点对点通信方式的不足,根据舰艇编队通信的实际需要,提出了利用海面作为激光漫反射媒介的一对多的组网通信方法,并且采用基尔霍夫近似的方法对激光海面漫反射通信的特性进行了研究。通过对激光光束入射海面后产生的散射场的分析计算,采用遮蔽函数对计算过程中的阴影效应加以修正,得出了较为准确的2维激光海面双站散射系数和后向散射系数,并进行了实验验证,说明了激光海面漫反射组网通信方法的可行性。     

粗糙柱面的激光散射特性数值模拟

利用随机面元模型,详细分析了刚性随机粗糙圆柱表面的激光散射特点,建立了实用化的随机粗糙圆柱激光散射理论模型,并给出了aY-．J~射时几种情况下的激光散射图像,分析了圆柱目标的激光散射能量计算方法,并仿真了光束在平面目标、圆柱目标表面做正弦摆动时,光斑在不同位置的反射能量,利用激光信号的强度变化就可以得到物体的边缘信息。     

小掠射角下高斯谱粗糙海面反射损失建模

在散射能量基本为前向散射且集中在“镜面反射”方向的情况下,粗糙海面反射损失建模是声呐信号传播建模必不可少的一部分,尤其对于中远距离下浅海或者存在表面声道的水声环境,小掠射角(10°以内)下的粗糙海面反射损失建模尤为重要。首先基于高斯谱粗糙海面模型,通过高海况下的声传播试验数据处理分析了粗糙海面边界条件下的Ramsurf声传播模型的有效性,进而以Ramsurf声传播模型为基准,在小掠射角下,比较分析了Kirchhoff近似(KA)海面反射损失模型和小斜率近似(SSA)海面反射损失模型,数值计算结果表明,在小掠射角下SSA海面反射损失模型与Ramsurf计算结果较为吻合,是比较精确的海面反射损失模型。      

风驱粗糙海面背景下海雾对可见和红外光多次散射特性研究

通过测量空间辐射反演海雾气溶胶的微观特性是一种重要的遥感方法,但是海雾对辐射的反射会受到海面背景的影响。该工作研究了海雾与海面的耦合多次散射。利用Mie理论研究了海雾气溶胶的单次散射特性,利用辐射传输理论研究太阳光在无下垫面海雾中传输多次散射特性;在基尔霍夫近似下研究了风驱粗糙海面的散射特性,并考虑了海面的遮蔽效应,得到了风驱海面随风速的反射函数。根据累加法研究了海雾和海面的耦合散射,计算结果表明海雾在有粗糙海面作为背景的情况下,其整体反射有较大增强。     

超低空状态下海面激光后向散射测量与仿真

海面的激光散射特性是制约激光雷达对低空飞行器进行探测与识别的关键因素之一.模拟超低空状态,通过人工造渡池模拟不同海情的海面,采用激光散射测量装置在典型海情下近距离海面获取了激光后向散射数据;采用网格化分割海面,根据Pierson-Moscowitz谱构建了三维时变海面几何模型,利用Torrance-Sparrow模型模拟分析海面的近距离激光后向散射特性.测量和仿真数据表明:实测与仿真结果一致,海面的激光散射受海面几何波形调制;其强度随擦地角增大而增大;由于海面的随机起伏,海面散射极大值存在较大范围波动,并且波动随擦地角减小而增大.     

Formation of a quasi-regular interference pattern in a speckle-modulated laser beam reflected from a transparent optically nonuniform layer

Conditions for the formation of a quasi-regular interference pattern in the speckle-modulated radiation reflected from a rough transparent layer irradiated by a focused laser beam are found. A laser method for determining the optical thickness of the transparent coating deposited onto the rough surface is proposed.     

高功率激光装置主放大系统结构表面粗糙对自激振荡的影响

对于采用离轴多程放大技术的高功率激光装置,抑制其自激振荡的技术具有重大研究价值。针对工程中发现的主放大系统小孔板附近结构表面比较光亮,当腔内放大器工作时,在增益足够条件下,光亮结构面和腔镜间形成谐振腔而产生自激振荡,烧蚀腔内器件的问题,基于蒙特卡洛方法模拟结构表面,依据几何光学原理推导了激光光束在结构表面反射模型,采用该模型代入工程中光路部分参数计算了主放大系统结构表面粗糙处理工艺和反射进入放大器内份额的关系,并将该表面处理工艺应用于工程中,通过增大结构表面粗糙度,使形成的谐振腔损耗大于增益,为抑制高功率激光装置主放大系统自激振荡提供了依据。     

Static and dynamic detection of axial surface defects on metallic wires by conical triple laser reflection

The quality of the surface of metallic wires is relevant for different applications. The reflection of a laser beam on the surface of a metallic cylindrical wire provides an efficient way to inspect the quality of its surface. Our interest is focused in the detection of axially oriented defects, which are the most relevant for the wire drawing process. We present a simple interference-geometrical model to describe the light pattern reflected from a wire with defects. This model adequately accounts for the observed results from an industrial prototype developed for the purpose. It incorporates three-laser beams incident on the wire at equidistant locations in its perimeter, which produce three reflection cones with a CCD. This configuration permits to explore the whole perimeter of the wire. Several results are presented, both in static operation and in production line, in agreement with qualitative and quantitative predictions.     

Reflection and transmission of an Airy beam in a dielectric slab

The reflection and transmission of a finite-power Airy beam incident on a dielectric slab are investigated by an analytical method. Based on the plane-wave angular spectrum expansion and Fresnel approximation, the analytical expressions of the reflected field, internal field as well as transmitted field in each region are obtained. Through numerical simulations, the intensity distributions of the incident beam, reflected beam, internal beam as well as transmitted beam are presented at oblique incidence. Besides, we also compare the intensity distributions of the geometrical-optics beam field, the first order beam mode field and the actual beam field, which indicates that the contribution of each order beam mode field to the actual beam field is related to the refractive index of the dielectric slab. Meanwhile, the reflection characteristics of the Airy beams in the special cases of Brewster incidence and total reflection are investigated. Finally, the effects of the optical thickness and refractive index of the dielectric slab on the peak intensity distributions and beam shifts of the reflected and transmitted beams are also discussed in detail. The analytical and numerical results will be useful to analyze the propagation dynamics of Airy beam in the dielectric slab and provide some theoretical supports to the design of optical film.     

基于金属狭缝阵列的各向异性偏振分束器

在金属-电介质结构的基础上提出了一种基于金属狭缝阵列的各向异性偏振分束器,并采用有限元法研究了横磁(TM)和横电(TE)偏振光入射后结构所表现出的负反射和镜面反射等特性.计算结果表明,当偏振光的入射角设定在20?—70?时,入射的TM光发生强烈的负反射,而TE光的负反射很弱,并随着波长的增加而急剧下降.分析可得偏振分束光栅的理想负反射点和反射面的完美对称响应效果.通过仿真得到了理想负反射点的取值范围.结合严格耦合波法软件,计算不同偏振光入射时负反射和镜面反射条件下的反射率,其消光比高达10~6.     

由菲涅尔反射测量平行平面介质的折射率

一激光束投射在一平行平面介质的表面上，在此表面有一反射光束和从介质内折射出来的另一光束，只要测出这两光束的Ｐ光和Ｓ光的强度，就可计算该介质的折射率。本文介绍测量原理及方法。     

准直透镜反射光引起的一个问题

准直透镜主要用于产生平行光束然而,由于其表面的反射作用,在准直后的平行光束中,还存在一束会聚光束这会聚光束与平行光束相比虽很微弱,但在其会聚点附近具有较高的强度,在安排光路时应注意避开它,否则会带来某种程度的干扰本文讨论了这种反射光对全息记录带来的影响和应注意的问题,并根据衍射理论导出了反射光的会聚位置,结果与实验符合甚好.     

An optical method and neural network for surface roughness measurement

The measurement of surface roughness using stylus equipment has several disadvantages. A non-contact optical method is needed for measuring the surface roughness of engineering metals with improved accuracy. One candidate for an optical method is the use of a laser source, where the laser light intensity reflected from the surface represents the surface roughness of the illuminated area. A relation can be developed between the reflected laser beam intensity and the surface roughness of the metal. The present study examines the measurement of the surface roughness of the stainless steel samples using a He-Ne laser beam. In the measurement a Gaussian curve parameter of a Gaussian function approximating the peak of the reflected intensity is measured with a fast response photodetector. In order to achieve this, an experimental setup is designed and built. In the experimental apparatus, fiber-optic cables are used to collect the reflected beam from the surface. The output of the fiber-optic system is fed to a back-propagation neural network to classify the resulting surface profile and predict the surface roughness value. The results obtained from the present study are then compared with the stylus measurement results. It is found that the resolution of the surface texture improves considerably in the case of optical method and the neural network developed for this purpose can classify the surface texture according to the control charts developed mathematically.