倾斜离轴高斯光束通过猫眼光学镜头的传输特性

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,进一步推导了倾斜离轴高斯光束通过猫眼光学镜头的解析传输公式,通过数值计算分析得到了倾斜系数和离轴量对猫眼效应反射光光强分布的影响规律.结果表明,斜入射情况下猫眼效应反射光光强分布发生非对称畸变,且倾斜系数较小和较大时有着不同的分布规律.并且,离轴量与倾斜系数共同决定着猫眼效应反射光应用于激光主动探测的可行性.     

利用Zemax分析“猫眼效应”的激光反射特性

利用Zemax镜头设计软件建立了共轴的简化"猫眼效应"反射模型,并结合其强大的物理光学传播分析功能,仿真分析了目标镜头的口径、焦距、焦平面反射元件尺寸、倾斜度等主要参数对"猫眼效应"激光反射特性的影响。仿真分析的结果表明,目标镜头的"猫眼效应"激光反射特性是受目标参数和入射激光特性所共同制约的,对于空中目标来说,其"猫眼效应"的激光反射特性完全可以为激光主动探测所用。     

探测激光入射角对猫眼效应反射特性的影响

 光电装备的光学窗口对入射激光有较强的反射特性，即猫眼效应现象。为了研究利用猫眼效应来进行主动探测的适用条件，弄清探测激光入射角对猫眼效应反射特性的影响，建立了斜入射猫眼效应反射模型，分析并仿真了探测激光在目标系统处的入射角不同的情况下的后向反射激光特性，以及探测系统所能够接收的原路返回激光的远场能量分布情况。结果表明：对于特定的目标系统，猫眼效应现象只存在于一定的探测激光入射角范围之内，在此范围之内，猫眼效应反射特性与探测激光的入射角关系密切；基于猫眼效应的激光主动探测、定位等应用也是可行的。     

激光辐照光学镜头猫眼效应反射率测试

 为了验证普通光学镜头猫眼效应的存在性和应用可行性,利用532 nm激光辐照调焦范围为12～72 mm的普通摄像镜头,测试了猫眼效应绝对反射率及其与镜头焦距、F数、入射角等参数的关系。采用双光路同时测量法,解决了猫眼效应反射光与入射光相互干扰不易测试的问题。结果表明,该镜头的猫眼效应绝对反射率最高可达35.87 ％,并且与焦距正比,与F数和入射角成反比;近场时的几何发散角与焦距和F数成反比。     

基于“猫眼”效应的激光侦察技术及其在军事上的应用

光电设备或光学观瞄设备的光学窗口对入射激光具有较强的反射特性,该特性也被称为"猫眼"效应。从理论上分析了猫眼效应产生的机理,并将理论计算结果与实验结果进行了比较。论述了基于猫眼效应的激光侦察技术原理和该技术在军事上的应用。讨论了影响猫眼效应的因素,并用实验结果证明了理论分析得出的部分结论。     

倾斜离轴高斯-谢尔模型光束在大气湍流中通过猫眼光学镜头反射光的光强特性

本文研究了大气湍流和探测光空间相干性对倾斜离轴激光束通过猫眼光学 镜头反射光光强特性的影响. 研究表明: 由于光阑效应以及光束倾斜或离轴, 反射光光强出现振荡和非对称分布现象. 大气湍流不会改变其非对称性, 但湍流中其光强不再振荡. 当猫眼光学镜头存在微弱正离焦δ_max情况下, 轴上光强可达到最大值. 猫眼光学镜头焦距越大, 所需δ_max越大. 但是, 大气湍流和探测光相干性好坏都不会改变所需δ_max值. 在大气湍流中传输距离足够远时, 反射光强会成为离轴类高斯分布. 随着传输距离的增大, 相干性越差的探测光的反射光束扩展可以更小, 这与部分相干光自由空间传输规律完全不同. 探测光相干性越好, 其反射光强受湍流的影响越大, 但差异不大. 本文所得结果对激光主动探测的应用具有意义. 关键词： 猫眼光学镜头 大气湍流 部分相干光 光强     

分划板失调时猫眼系统的反射特性

为降低光电装备猫眼效应,减小光学窗口被激光主动侦察系统探测到的概率,对分划板失调情况下猫眼系统的反射特性进行了研究。基于几何光学与2维平面波角谱衍射理论,推导并仿真了平面波通过分划板失调猫眼系统在出射面上的衍射光场分布特性,实验验证了猫眼目标的反射特性。研究结果表明:分划板失调会导致猫眼系统出射面的回波光斑发生椭圆形变,而斜入射探测激光会使这一现象更加明显。利用这一特性对猫眼系统进行改进,会大大增加激光主动侦察系统区分形变猫眼目标和漫反射背景干扰的难度。     

高斯光束在双层云中传输的蒙特卡罗模拟

基于辐射传输理论, 利用蒙特卡罗方法模拟了无限窄(冲击函数)准直光束入射到典型水云以及冰水双层云时的后向散射特性, 进而将得到的冲击响应与高斯光束卷积, 得到高斯光束在云层中传输的多次散射特性. 文中给出了两种波束入射时水云以及冰水双层云的反射函数随径向r和天顶角α的变化关系, 并给出了光强在云层内部的二维分布图. 计算结果表明, 高斯光束入射时, 云层反射函数的特点与无限窄准直光束入射时有较大区别. 因此在利用激光雷达进行云层探测时需要考虑激光的散斑, 文中的方法可以为此提供理论依据.     

激光跟踪测量系统中的光学误差分析

论述了在激光跟踪测量系统中由跟踪转镜机构和猫眼逆反射器产生的光学误差,并分析了它们对测量结果产生的影响。通过仿真得到了"计算中心点"的坐标。利用光学理论计算了跟踪转镜机构入射光束偏心和镜面偏心产生的误差。从猫眼的球度误差、材料折射率误差和光学中心误差几个方面对猫眼产生的光学误差进行了分析。结果表明,猫眼的误差对测量精度影响较大,因此要求猫眼精度要高。     

猫眼谐振腔氦氖激光器理论分析

猫眼逆向器作为谐振腔镜与一个凹面镜构成猫眼激光谐振腔.精确计算了三种猫眼逆向器(即理想猫眼逆向器和两种存在误差的猫眼逆向器)的逆向平行反射性，并对应用这三种猫眼逆向器的谐振腔中高斯光束的各项参数进行了深入分析，得出结论：对于高斯光束，凸透镜的焦距、凹面镜曲率半径、凸透镜与凹面镜间距三者相等的猫眼逆向器为理想逆向器，其逆向平行反射性最好，此时猫眼谐振腔处于理想状态，基模模体积最大，远场发散角最小，稳定性最好；在猫眼谐振腔的设计中，要尽量减小猫眼逆向器中凸透镜的焦距，增大凹面输出镜的曲率半径；猫眼逆向器存在误差时谐振腔的各项性能将受到影响.为猫眼谐振腔激光器的设计提供了理论依据.     

Focal shift of flat-topped beams passing through a lens system with or without aperture

We theoretically investigated on the focal shift of flat-topped beams (FTBs) passing through a lens system with or without aperture. We find that the position of on-axis peak intensity of focused FTBs strongly depends on the Fresnel number, the flatness order of FTBs, the truncation of the aperture, as well as the relative incident distance. The results indicate that the focal shift away from the geometrical focus of the focused FTBs appears when the relative incident distance does not equal to 1 and increases with the decreasing of the Fresnel number or the beam flatness order for both the apertured and unapertured lens systems. In the lens system with aperture, the focal shift effect decreases with the increase of the truncation parameter.     

基于“猫眼效应”的目标识别

 阐述了“猫眼效应”的基本原理，并在此基础上对“猫眼效应”进行了实验验证。实验结果表明，光电探测器的确存在“猫眼效应”。利用“猫眼效应”进行远距离的目标探测与识别能够简化系统并有效提高目标探测识别的概率，对今后选取合适的方案进行空间目标捕获、跟踪和瞄准有一定的参考意义。     

Propagation properties of Gaussian beams through cat eye optical lens with center shelter

Based on the method of matrix decomposition and expanding the aperture function into a sum of finite complex Gaussian functions, the analytical propagation equations of Gaussian beams through cat eye optical lens with center shelter are derived. Through numerical calculation, the laws governing the variation of the intensity distribution of the cat eye reflected light with the center shelter ratio and the diameter of the detector at the focal plane are given. The results show that the diffraction series and the intensity of the cat eye reflected light depend strongly on the center shelter ratio. As a further extension, it is found that the eye optical lens can be interpreted as a spatial filter, and different filter effect can be obtained by changing the pinhole size.     

Cassegrain激光发射系统的光路设计

为了提高激光探测系统激光的发射功率,在出射激光为基模的高斯光束的光路设计中,根据高斯光束经过光学系统的变换与传输特性,分析了系统采用Cassegrain望远镜时,其遮拦比以及入射光束束腰半径对光功率透过率的影响。通过具体的数值计算得出,随着遮拦比及入射光束束腰半径的增大,系统光功率透过率将减小,给出了望远镜遮拦比与发射孔径处光斑尺寸之间的最佳匹配关系,最后讨论了离焦误差（安装误差）为0.2mm时对出射光斑尺寸的影响。     

基于“猫眼效应”的超视距视轴对准可行性分析

 根据光电探测器的“猫眼效应”,针对成像光学系统的视轴,从理论上分析了利用激光对超视距系统进行视轴对准的可行性,特别分析了激光器输出功率参数、接收探测器焦平面是否离焦等关键参数。研究结果表明,基于“猫眼效应”的超视距系统进行视轴对准在理论上和实验设计上是可行的。     

基于轴锥镜对的高光能利用率激光通信天线性能分析

提出一种增加轴锥镜对的同轴反射式光学结构激光发射天线方案,通过对入射光束的光强重新排布,降低同轴反射式结构固有的中心遮拦造成的能量损失,提高光能利用率.运用衍射光学原理分析并模拟了单色高斯光束经过轴锥镜对后传播至天线光阑平面处的光场分布,比较了普通同轴反射式天线和高光能利用率天线在不同入射光束腰半径、不同线遮拦比下的发射光能利用率.结果表明:高光能利用率天线在线遮拦比0.1和0.25的情况下,通过合理调整入射光束腰大小,光能利用率分别可达到99%和96%以上,远高于传统的同轴反射式天线.分析了高光能利用率天线发射光束的远场光强分布,发现其进入接收天线口径内的光场可近似为平顶分布.     

电视导引头的激光回波分析

阐述了用激光主动扫描法侦察远方飞航导弹来袭方位的原理及实验技术。以电视导引头光学系统为例,运用矩阵光学追迹法对影响“猫眼效应”回波强度的因素进行了定性和定量的分析。研究结果表明:回波强度受导引头光路中光学镜头的相对孔径、摄像管靶面倾斜和离焦的影响较大;扫描激光光束的入射角等因素对回波强度也有一定的影响。在主动扫描装置与被探测导引头相距约5000m、扫描光束的入射角为0.1rad的条件下,导引头光学系统反射面倾斜和离焦使得侦察装置接收到的回波能量与发射脉冲能量之比由理想条件下的1.0%分别下降到了0.004%和0.3%。     

Focal shift of apodized truncated hyperbolic-cosine-Gaussian beam

Focal shift of hyperbolic-cosine-Gaussian beams induced by pure phase apodizer was investigated theoretically. The pure phase apodizer consists of three concentric zones: center circle zone, inner annular zone and outer annular zone. And the phase variance of the inner annular zone is adjustable. Results show that intensity peak moves far from optical aperture and then shrinks sharply for certain radii of zones with increasing phase variance of the inner annular zone. Simultaneously, one new intensity peak occurs near optical aperture, moves far from the optical aperture, and then becomes intensity maximum peak, and repeats the evolution process of the former intensity peak. Tunable focal shift occurs with focal switch. Decreasing the phase variance can change the move direction of the intensity peaks. In addition, the maximum distance between the two intensity peaks can be altered by beam parameters of cosh parts, and the distance value increases and then decreases with increasing beam parameters of cosh parts for certain radii of zones. Tunable focal shift is also discussed to construct optical tweezers.