涡旋光波前畸变校正实验研究

涡旋光在大气湍流中传输时会发生波前畸变,故需要进行波前校正。相比于传统的带有波前传感器的自适应光学校正系统,采用随机并行梯度下降算法的无波前传感器的自适应光学校正系统具有硬件实现简单、对光强闪烁等复杂环境的适应性好等优点。仿真结果表明:该系统对单模涡旋光和多模复用涡旋光都可实现波前畸变校正,能提高模式纯净度。实验结果表明:经校正,单模涡旋光的光强相关系数可提高至0.85左右,多模复用涡旋光的光强相关系数可提高至0.72左右,单模涡旋光波前畸变的校正效果优于多模复用涡旋光。仿真和实验结果均表明,采用随机并行梯度下降算法的自适应校正技术可有效实现涡旋光波前畸变校正。     

激光系统组件化仿真软件EasyLaser

针对国内一直以来缺乏一套能够对复杂激光系统进行全面仿真模拟工具的问题,在成熟仿真模块的基础上,基于组件化建模仿真思想研发了通用易用的激光系统仿真软件EasyLaser。它由通用的组件化建模仿真支撑平台SciSimu和8个仿真组件库构成,具备对光束的光学元件间传输、大气传输、电视成像、自适应光学校正、识别提取跟踪等复杂过程的建模与仿真能力。详细介绍了EasyLaser的物理仿真能力和软件特色,并利用EasyLaser软件搭建仿真光路模型,进行自适应光学系统对大气湍流效应的校正效果的分析和研究。     

西安理工大学无线光通信系统自适应光学技术研究进展

总结了国内外自适应光学技术在无线光通信系统应用中的研究进展和技术分类,同时介绍了西安理工大学在该领域的工作,包括有波前测量的自适应光学系统、无波前测量的自适应光学系统、液晶空间光调制器波前校正、偏摆镜和变形镜组合的波前校正、空间光光纤耦合自适应光学波前校正等。自适应光学技术可有效修正无线光通信系统中由大气湍流引起的畸变波前,提高耦合效率和通信性能。虽然这些方法在理论分析和工程实际中尚不完善,但不失为人们在该领域进行的有益探索。     

LF—11激光装置的高效率倍频系统

本文介绍了LF—11激光装置高效率倍频系统的原理和结构,阐述了实现高效率倍频的各种技术途径,给出了倍频的转换效率,晶体的调谐半宽度以及基频激光和倍频激光的远场发散角,近场分布和时间波形等实验结果,利用该系统进行了0.53μm波长激光的ICF实验。     

具有消像差和光程补偿功能的新型取样光栅

 在惯性约束聚变(ICF)终端光学聚焦系统中,采用取样光栅将透射的高功率三倍频光按约0.5%的效率进行聚焦采样,送入能量计中进行诊断。提出了用取样光栅对结构取代单取样光栅,通过合理选择系统参数,包括两块光栅的距离、光栅倾斜角度等,设计出的消像差取样光栅可同时进行能量诊断、光脉冲响应测量、以及远场光斑质量的检测。计算结果显示：光程差从8.3 cm降低到8.7 mm,像点的均方根半径为0.777 μm,达到衍射极限和使用要求。这为ICF系统中激光能量、波前畸变的诊断提供了一种可供选择的新诊断装置。     

用于ICF驱动器的取样光栅的矢量分析与计算

 在ICF的终端光学聚焦系统中，采用取样光栅(BSG)将透射的三倍频光按一定比例送入能量计中进行能量诊断。本文采用精确耦合波矢量分析方法分析了衍射效率与光栅周期、刻槽深度、占空比等的关系，为光栅的实际制作提供了一些有意义的结果。     

基于自适应光学技术控制光束近场场强

在双变形镜自适应光学系统中,需要主激光出射时与信标光的振幅分布一致、相位共轭,当主激光到达目标时光波的分布与目标上发射的信标光光波分布相同,主激光的振幅和相位都得到校正。根据双变形镜自适应光学技术的概念,提出一种基于自适应光学技术控制光束近场场强的方法,从而实验验证双变形镜技术的可行性。该方法利用哈特曼传感器探测到的波前信息,对变形镜进行控制,实现了对光束近场场强的控制。仿真结果表明该系统对光束近场强度能进行较好地校正,使校正前后光束振幅的残余均方差值从0.310 0降为0.052 2,同时实验也验证了这种方法的可行性。     

ICF用Kirkpatrick-Baez型显微镜光学设计

 提出了直接针对惯性约束聚变（ICF）诊断目标的X射线Kirkpatrick-Baez型显微镜的像差校正和光学设计方法。在校正掠入射细光束像散的基础上,推导了内爆压缩区全视场范围内的垂轴像差表达式,进而构建了系统的空间分辨率预测模型。基于对空间分辨率和集光立体角两个关键指标的分析,结合ICF的实验要求,得到了系统的初始结构参数确定原则和光学设计流程。实例表明,该方法克服了传统的轴上球差评价的不足,设计结果能够同时满足内爆压缩区的视场、分辨率和集光效率的要求。     

基于自适应光学技术的太阳光栅光谱仪的像差校正方法研究

太阳光栅光谱仪是研究太阳大气分层结构特性的重要仪器,其性能受到大气扰动及系统装配误差等引入的波前像差的限制,需要采用自适应光学进行校正。由于光栅光谱仪中的狭缝对波前像差的滤波作用,使得传统自适应光学无法直接用于光栅光谱仪中。研究了狭缝对自适应光学技术波前校正能力的影响,提出了一种基于狭缝滤波灵敏度的差别校正方法并进行了数值模拟仿真分析。数值仿真结果表明:自适应光学校正后,由像差引起的光谱分辨率衰减量总体上优于1%,从而说明了该校正方法能有效地抑制大气扰动和系统静态像差所引起的光谱展宽,从而提高了光谱分辨率。自适应光学校正后能够有效地提高能量利用率η,当狭缝宽度为3倍艾里斑直径时,η由校正前的约20%提高到了90%以上。     

X射线高空间分辨多色显微成像系统研制及应用

在激光间接驱动惯性约束聚变(ICF)领域中,获得具有极高空间分辨率(优于5μm)的X射线辐射图像,是研究烧蚀不稳定性、内爆流线等关键物理过程的数据基础。基于掠入射反射式成像原理的Kirkpatrick-Baez(KB)显微成像系统作为一种具有高空间分辨率和集光效率的X射线显微诊断设备,目前已成为国际ICF装置的X射线关键诊断设备。在神光Ⅱ和神光Ⅲ原型装置条件上开展了KB诊断技术及设备的研究,在KB系统的光学设计、光学元件和物镜与系统装调技术等方面取得了许多重要进展,研制了大视场KB、多色KB等高分辨率X射线显微成像系统。这些系统已应用于我国的ICF内爆芯部发光和流线测量、流体不稳定增长测量等实验中,为关键物理量的测量提供了高空间分辨率的清晰图像。     

自适应光学对大气扰动波前的补偿效果研究 I.水平大气传输时的结果分析

讨论了光波在水平大气湍流中传输时的情况。计算结果表明自适应光学系统的补偿效果与光波传播路径上的横向风有很大的关系。大气湍流的强度越大，自适应光学系统的截止频率越高，横向风的影响也越大。计算结果还表明在相同的ｒ０或者相同的大气湍流强度下，球面波所受大气扰动的自适应光学补偿效果受横向风的影响要比平面波的厉害。本文还将理论分析的结果和数值模拟的结果进行了比较，表明数值模拟结果受横向风的影响比理论分析结果受横向风的影响大。最后，文中分析了以上现象并对此作出了合理的解释     

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。     

High-speed horizontal-path atmospheric turbulence correction with a large-actuator-number microelectromechanical system spatial light modulator in an interferometric phase-conjugation engine

Results of atmospheric propagation for a high-speed, large-actuator-number adaptive optics system are presented. The system uses a microelectromechanical system- (MEMS-) based spatial light modulator correction device with 1024 actuators. Tests over a 1.35-km path achieved correction speeds in excess of 800 Hz and Strehl ratios close to 0.5. The wave-front sensor was based on a quadrature interferometer that directly measures phase. This technique does not require global wave-front reconstruction, making it relatively insensitive to scintillation and phase residues. The results demonstrate the potential of large-actuator-number MEMS-based spatial light modulators to replace conventional deformable mirrors.     

高能激光准直传输远场斯特雷尔比与数值验证

利用扩展惠更斯-菲涅耳原理对高能激光在大气中的传输进行了分析,获得了高能激光准直传输轴上及峰值斯特雷尔比的积分表达式,并使用激光大气传输四维仿真程序对该表达式的适用范围进行了分析及数值模拟验证。结果表明,积分表达式可以很好地适用于无自适应光学系统补偿时的高能激光湍流热晕传输问题,可以用于自适应光学系统补偿时弱热晕条件下的湍流热晕角非等晕问题和弱热晕及中等热晕条件下的湍流热晕聚焦非等晕问题。     

水平大气中横向风对自适应光学系统性能的影响

从理论上分析了光波在水平大气中传播时传播路径上的横向风对理想补偿系统和时间带宽有限的自适应光学系统性能的影响，得到了自适应光学系统的Ｓｔｒｅｈｌ比与横向风速之间的解析表达式，并据此得到了一批计算结果。这些结果表明横向风对自适应光学系统的补偿功能有很严重的影响，随着横向风速的增大，系统的Ｓｔｒｅｈｌ比迅速降低，特别是对于一定接收口径的系统，当横向风速超过一定的阈值后，加了补偿的光波的成像效果比不加补     

相位不连续点对自适应光学的影响

 分析了激光在湍流大气中传输时，若光束波前中出现相位不连续点，自适应光学校正能力降低的原因，通过数值模拟计算了当光束波前中出现相位不连续点时对自适应光学校正的影响，表明在传输过程中出现不连续点的情况下，为了提高自适应光学的校正能力，必须要考虑不连续相位的影响。     

Sequence of phase correction in multiconjugate adaptive optics

The way in which the sequence of phase correction impinges on performance in multiconjugate adaptive optics systems is described. When multiple phase modulators with different conjugate ranges are used, the conjugate images of the phase modulators in the atmosphere must be reimaged in the reverse order post focus, and adaptive phase correction applied in this sequence for perfect amplitude and phase cancellation. Performing the correction without relay optics results in residual amplitude and phase aberrations. It is shown, by Monte Carlo simulations of Fresnel propagation, that the effects of wave optical propagation become nonnegligible at visible wavelengths and for large air masses.     

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。     

Adaptive Optics as a Spatial Coherence Modifier

The possibility of adaptive optics as a spatial coherence modifier is discussed. The initial field to be corrected is produced in such a way that a quasi-monochromatic plane wave of light is incident on a moving diffuser plate, so that it is spatially partially coherent. It is shown that adaptive optics serves to enhance the spatial coherence of the resultant field and that the magnitude of the enhancement depends on the spatial coherence of the initial field to be corrected. The results are illustrated by numerical examples based on an idealized low-order adaptive optics system.     

强湍流效应下不同信标波长的自适应光学校正

激光在大气中长距离传输时所产生的相位不连续点的数目与位置不仅与大气湍流和传输距离有关，而且与传输的激光波长有关。由于对主激光进行补偿的相位是从畸变的信标光场中获得的，当畸变光场中出现相位不连续点后，畸变光场的相位由连续相位部分和不连续相位部分组成，不连续相位部分直接与畸变光场中出现的相位不连续点的数密度和其所在的位置有关，一般情况下，主激光的波长与信标光的波长是不同的，因此当主激光的波长一定后，为了对不连续相位进行补偿，以便提高强湍流效应条件下的自适应光学校正能力，必须要考虑合作信标的波长。计算结果表明，考虑了不连续相位的影响后，虽然对主激光的校正效果有所改善，但对不同波长的信标改善的效果并不相同，只有信标光波长稍长于主激光的波长时，校正效果才有明显的改善。