人造信标自适应光学系统中的非等晕性

推导了人造信标自适应光学系统对激光大气传输湍流效应进行位相补偿时信标光与主激光间的剩余位相结构函数，讨论了人造信标自适应光学系统中的非等晕性—聚焦非等晕性。     

自适应光学系统的数值模型

本文讨论了有限单元变形镜自适应光学系统的数值模型及其算法，建立了一个反映自适应光学系统各组成部分的数值模拟程序，并利用这个程序对激光大气传输湍流效应的位相补偿进行了数值模拟，其中包括大气相干长度，非等晕性及自适应光学系统的有限响应带宽对补偿效率的影响。     

高能固态激光非Kolmogorov湍流大气传输光斑扩展的数值分析

采用高能激光大气传输四维仿真程序模拟计算了高功率固态激光在非Kolmogorov湍流大气中聚焦传输时的湍流与热晕效应。数值分析了接收平面处光斑的63.2%环围能量半径、光束质量因子随非Kolmogorov湍流谱指数α和传输起伏强度D/r0的变化,比较了非Kolmogorov湍流与Kolmogorov湍流条件下激光传输结果的相对偏差。结果表明:非Kolmogorov湍流谱指数α越小,湍流效应和湍流热晕综合效应导致的光斑扩展越大,光束的能量集中度越低;已建立的描述聚焦高斯光束大气传输光束扩展的定标关系式在非Kolmogorov湍流条件下不再成立;在传输参数条件下,仅考虑湍流效应时,非Kolmogorov湍流与Kolmogorov湍流下光斑半径的相对偏差最大值可达87.7%,存在热晕时的最大相对偏差达43.7%,可见热晕降低了两种情况下传输结果的相对偏差。     

Non-Kolmogorov湍流大气中小尺度热晕效应线性理论

从小尺度热晕线性理论出发,在non-Kolmogorov谱的基础上,得到了non-Kolmogorov谱湍流下热晕相位补偿的Strehl比表达式,分析了湍流谱对高能激光的相位补偿的影响.研究结果表明湍流谱对湍流热晕效应的相位补偿有重要的影响.在相同的湍流菲涅耳数下,当谱指数越接近于3时补偿效果越差,谱指数接近于4时补偿效果越好.在相同大气相干长度条件下或在相同湍流折射率常量条件下,当谱指数接近于3时,Strehl比随热晕效应的增强而下降变快,当湍流谱指数逐渐接近于4时,Strehl比下降速度变慢.其原因是随着湍流谱指数的增大,湍流热晕相互作用引起的对数振幅起伏增长变慢.     

非线性热晕效应自适应光学位相补偿

采用已建立的一套较完整的包括真实自适应光学位相补偿系统仿真的高能激光大气传输的数值模拟程序，对非线性热晕应相偿进行了计算。分析了非线性热晕效应位相补偿不稳定性的基本特征。     

计及风和湍流的热晕及其相位补偿的数值研究

本工作用包括热晕、湍流和风等效应的等压近似下四维激光传输程序，数值计算了激光大气传输中的整束热畸变效应及其理想相位补偿，得到了各种情况下的激光大气传输畸变图象，并分析了热晕和湍流的相互作用。另外，还讨论了时、空步长的选取原则。     

热晕瞬态效应的数值模拟

根据瞬态四维（４Ｄ）热晕程序，研究了激光大气传输中热晕瞬变效应及如何过渡到等压近似下的热晕状态，并与等压近似下４Ｄ热晕程序计算结果作了对比，在大约四倍流体力学时间，瞬态４Ｄ热晕程序计算结果逼近等压近似下的结果；另外，还作了相位补偿计算，对光强每平方厘米几千瓦的情况，在理想的自适应光学系统动力学条件下，瞬变阶段的热畸变能相当有效地实时补偿。     

高能激光大气传输的仿真实验研究

 对高能激光在大气中传输时产生的热晕效应及其相位补偿进行了室内仿真实验测量,获得了自适应光学系统开闭环时用来衡量光束传输效果参量（如远场的光斑图像、质心漂移、二阶矩半径、及Strehl比等）。结果表明,Bradley-Hermann热畸变参数在300范围内,自适应光学系统相位补偿效果显著,Strehl比基本大于0.4。然而随着热畸变效应的进一步加强,出现相位补偿不稳定性现象,补偿效果变差。另外,对自适应光学系统开闭环时的实验结果分别与薄透镜近似分析理论及几何光学近似理论作了比较。比较结果表明:薄透镜近似理论与未补偿时的实验结果吻合较好,而几何光学近似理论与补偿后的实验结果存在较大的偏差。     

光纤激光阵列目标在回路自适应光学系统的数值模拟

研究了光纤激光阵列目标在回路自适应光学系统在实际大气环境中的传输.从光纤激光阵列、激光在大气中的传输、目标和优化算法四个方面,建立了光纤激光阵列目标在回路自适应光学系统的理论模型.在不同强度大气湍流下,对系统补偿大气湍流影响的效果进行了研究,并对系统控制参数优化进行了简单探讨.结果表明,目标在回路闭环控制结构能够有效补...     

激光导引星大气湍流波前非等晕性误差的像差模式分解

激光导引星概念解决了自适应光学技术的信标问题，同时带来了无法克服的非等晕性误差。将高度聚焦非等晕性误差和角度等晕性误差统一起来考虑，分析激光导引星的大气湍流波前各阶模式的非等晕性误差，并给出了解析模型。同时分析了瑞利导星和纳导星的大气湍流波前的模式非等晕性相对误差，在没有角度偏离的情况下，90km的钠导星的模式非等晕性误差明显小于15km的瑞利导星，但是它对角度的敏感程度却远远大于端利导星。采用激光导引星的自适应光学系统用于大气湍流的校正，选择较低阶的模式校正就可以达到较好的效果，而且即使目标与导引星的偏角大于等晕角，选择低阶模式也可以达到有效的部分校正效果。     

随机并行梯度下降光束净化实验研究

利用自适应光学技术进行光束净化是高能激光系统中一项重要的研究内容.为实现光束净化系统的小型化和低成本,基于系统性能评价函数无模型最优化的波前畸变校正方法是适合的技术方案.就随机并行梯度下降(SPGD)最优化算法在光束净化系统中的应用展开研究.针对高能激光束常见的像差分布进行了SPGD波前校正的数值模拟,在此基础上构建了37单元自适应光学光束净化实验平台,讨论了双边扰动梯度估计和迭代增益系数自适应变化对算法收敛特性的影响.数值模拟与实验结果验证了SPGD算法对不同程度波前畸变的校正能力,表明了SPGD光束净化方案的可行性.     

基于自适应光学补偿的自由空间光通信系统性能研究

自由空间光通信在未来全球通信网中具有潜在的应用价值,然而自由空间光通信的性能易受大气湍流影响,而自适应光学能够解决大气湍流问题.在gamma-gamma分布大气湍流中,用自适应光学技术对自由空间光通信系统进行补偿,进行通信系统误码率的分析,给出了上行链路和下行链路的模拟结果.结果表明:自适应光学误差补偿技术能够很好地提高自由空间光通信的性能,并且低阶自适应光学补偿就能达到很好的校正效果.     

大气闪烁对自适应光学校正的影响

 激光在大气湍流中长距离近水平传输时，闪烁加强，限制了常规自适应光学的校正能力。数值研究了大气闪烁对自适应光学校正的影响，拟合得到了在Fresnel数一定时，Strehl比与Rytov方差的表达式，以及Rytov方差一定时，Strehl比与Fresnel数的表达式。结果表明，在Rytov方差较小时，纯相位校正Ｓtrehl比只与Rytov方差有关；随着Rytov方差的增加，Strehl比不仅与Rytov方差有关，还与Fresnel数有关，Fresnel数越大，校正Strehl比越大；大发射和接收孔径有利于提高校正Strehl比；在一定的Rytov方差下，Stregl比随Fresnel数增大而增加，逐步趋于饱和，达到纯相位校正的极限。     

神光Ⅲ原型装置自适应光学系统应用技术研究

重点研究了高功率固体激光装置自适应光学系统的两个主要应用问题,包括波前传感器参考波前在线标定和预补偿方式下激光过滤波器小孔堵孔问题。文中对两种不同的在线标定方法进行了研究,分析各自的优缺点,结合自适应光学系统的校正对象确定合适的标定方法和标定结果。针对小口径注入位置预补偿的自适应光学布局方案,对影响过滤波小孔的主要因素进行了研究,并从自适应光学系统控制和激光器运行流程两个方面提出了解决方案,获得较好的实验结果。     

直接斜率法波前拟合和复原误差的仿真分析

报道了利用数值仿真方法对自适应光学系统补偿激光传输湍流效应中的波前拟合和复原误差的计算分析。计算结果表明，在利用波前斜率进行波前复原的实际自适应光学系统中，波前复原误差是利用波前最小方差法计算的波前拟合误差的１．２４倍。     

信标光波长对全场补偿的影响

 激光在近水平长距离传输时,闪烁效应会影响自适应光学的校正效果。在Rytov近似下,导出了纯相位补偿方差和全场补偿方差与信标光波长的关系,研究了信标光波长对补偿效果的影响。结果表明,当信标光的波长与主激光波长之比小于1.89时,全场补偿的方差小于纯相位补偿的方差。     

Study on beam propagation through a double-adaptive-optics optical system in turbulent atmosphere

Beam propagation through a double-adaptive-optics optical system in turbulent atmosphere has been investigated. A typical model of optical systems with the double-adaptive-optics configuration is established, principles of the two adaptive optics and theory of beam propagation through the optical system in turbulent atmosphere are analyzed. Power efficiency and beam quality (BPF) of the received beam are introduced to evaluate performance of the optical system. Under the H-V 5/7 turbulent model, influences of the two adaptive optics installations are numerically calculated, respectively. Results show that the adaptive optics at the launcher can improve both power efficiency and beam quality of the received beam, the adaptive optics at the receiver can significantly improve beam quality of the received beam. Evolution of the system performance with the increase of adaptive optics correction order is numerically simulated, and results show that the double-adaptive-optics configuration has great advantages in improving beam quality of the received beam in optical systems with beam long-distance propagation through the turbulent atmosphere.