万焦耳级激光装置的焦斑诊断

为了评估万焦耳级激光装置不同打靶透镜构型的远场光束质量,采用弱光取样、分束放大成像的探测方法,在横向放大系数相同而光强衰减系数不同的条件下,通过两台16位科学CCD在主瓣光路和旁瓣光路对3ω激光束的焦斑进行采集;基于纹影测量激光焦斑数学模型,获得了动态范围为1 151.7:1的远场焦斑重构图像;并对CCD动态范围、分束光路相对放大系数、系统噪声等因素对焦斑诊断的影响进行了分析.实验表明,该方法能够实现高动态范围远场焦斑的精确测量,对于重构图像的拼接边缘误差小于1 pixel,满足打靶要求.     

纹影法测量远场焦斑实验研究

 报导了用纹影法测量远场焦斑的实验结果。远场焦斑经成像透镜放大成像后，由12bit，1 024×1 024面阵科学级CCD相机采集。将一定大小的小球放置在焦斑位置，用以遮挡光斑中心，控制CCD前的衰减可得旁瓣信息，将其与无遮挡光斑拼接，得到焦斑相对强度的完整分布。该方法扩展了焦斑光强测试的动态范围，可探测焦斑约4个量级的光能密度分布，提高了焦斑的测量精度。     

强激光远场焦斑重构算法研究

 通过CCD图像采集单元结合传统的列阵相机测量高功率固体激光器的远场焦斑分布，采用图像处理技术的边缘算子提取焦斑的几何中心，提出通过几何中心对心的焦斑嵌套重构算法，解决了光斑饱和时的对心难题，实现了快捷准确测量激光焦斑，为激光器的实时控制提供参考数据。     

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。     

激光远场焦斑测试技术研究

激光远场分布测量一直存在两方面的困难：一方面是由于波面畸变具有不确定性，使得焦平面位置不易确定；另一方面是焦斑“主瓣”和“旁瓣”光能密度相差悬殊，无如此大动态范围的探测器。此文针对现有的激光远场测试的3种常用方法(长焦距透镜法、列阵相机法、Rame Pair法)进行了实验研究。首先需要建立一个实验平台，3种激光远场测试方法在相同的测试条件下对激光束的相同位置进行测试，以减少比对误差。光路排布如图1所示。图1中虚线所包围的部分即3种测试方法的光路排布，由这3种方法分别测得的焦斑和焦斑列阵并通过一定的算法重构焦斑，所得结果比对如图2。     

基于光斑形状光束快速自动准直算法

为满足高功率激光装置光路自动准直系统的高精度要求,提出一种光束非垂直过孔状态下椭圆光斑的光斑差值快速调节法,并引入局部自适应阈值二值化算法提高准直图像的定位精度.当椭圆光斑长短轴差值较大时,利用基于最小二乘法的椭圆拟合改进算法,求出椭圆光斑长短轴的轴长,通过远场反射镜调节长短轴轴长差值以调节光斑形状,直到获得规则的圆形光斑.分析了圆光斑中心与基准位置的偏差值,将差值转为闭环控制的步进电机调整步数,实现了高功率激光装置光束的快速自准直.该算法应用在某高功率激光装置光路自动准直系统中,结果表明,远场指向精度优于0.033″,优于目前高功率激光准直系统准直效果,提高了激光光束的指向性精度.     

激光烧蚀羽流光学成像效果研究

使用YAG脉冲激光烧蚀固态POM聚合物和掺碳质量分数为5%的液态甘油混合物,形成羽流场.分别在相机镜头前添加滤光片以及在纹影系统中设置不同的刀口,观察对羽流场像的影响.实验结果表明:滤光片和暗场纹影均能够提高羽流纹影图像的显示效果.     

高功率激光光束的自准直算法

为满足高功率激光装置全程光路自动准直快速性及高精度的要求,提出了一种光斑对应椭圆的长短轴差值法对光斑形状调节,并结合重心法快速、高精度的获取光斑图像中心位置.利用大律法、3×3邻域法及8向链码法对光斑图像进行处理,得到面积最大的光斑;分析最大光斑区域中心距,求出最大光斑对应椭圆的长短轴长,并根据长短轴差值调节光斑形状,至长短轴差值近似为零,获得形状最规则的光斑;分析形状最规则光斑的中心位置与其基准位置在x和y方向的偏差,并将该差值转为闭环控制的步进电机所需要调整的步数,实现激光光束的自准直.该算法应用在高功率激光装置中,结果表明,主放大光路的准直时间缩短为15min,近场准直的准确度优于0.2%,远场指向准确度优于1μrad,满足高功率激光光束的准直要求.     

CCD摄像法测量激光远场光斑中图像校正和能量修正算法研究

介绍了CCD摄像法测量激光远场光斑的工作原理。依据CCD摄像机拍摄激光远场光斑的倾斜角度,在处理算法中利用透视投影原理,将采集光斑的畸变图像进行了校正;针对CCD摄像法摄取的漫反射激光光斑图像,构建了朗伯漫反射模型,利用朗伯修正算法将漫反射激光光斑的能量密度修正到直射激光光斑的能量密度,推导出了具体的修正计算公式。通过实际应用,验证了该算法在激光远场光斑测量中的有效性。     

高精度激光告警参数提取算法

激光告警系统通过提取来袭激光的相关参数进行告警定位，其角度定位精度直接与战场生存能力相关。为了有效提高激光告警系统的角度定位精度，基于光栅衍射型激光告警原理，提出一种高精度测量来袭激光参数的算法。对激光告警系统进行标定，用高斯拟合法精确提取出衍射光斑标定图片的0级光斑中心，将来袭激光角度与对应角度的光斑中心进行拟合，根据拟合结果确定任意角度的光斑衍射图像对应的来袭激光角度参数。实验结果表明，方位角测量误差优于0.29°，俯仰角测量误差优于0.38°。该算法有效提高了激光告警系统的测算精度。     

温度场纹影定量测量技术

为了研究纹影系统的温度场定量测量技术,本文详细阐述了纹影技术的定量测量原理,并通过分析流场纹影图像灰度大小与未被遮挡的光源像面积的关系,提出了一种新颖的流场温度定量测量的计算方法。首先,在光学平台上搭建了透射式纹影系统,将加热平台放置在该系统的测量区域,利用CCD相机将采集到的纹影图像上传到上位机进行图像处理,然后采用该算法计算得到温度场的测量值,并与热电偶的测量值相对比。实验结果表明：在室温20℃时,将加热平台的温度分别设定为50℃和90℃,纹影系统测量得到的温度值相对误差小于10%,证明了该计算方法的可靠性,实现了以纹影技术为基础的温度场定量测量。     

基于背景纹影波前传感技术的气动光学波前重构与校正

背景纹影波前传感(backgroud oriented schlieren based wavefront sensing, BOS-WS) 是利用背景纹影技术测量光学波前二维分布的新型实验手段, 可定量测量光线通过干扰场后产生的光学畸变并给出光程差. 为了利用BOS-WS技术获得光线因气动光学效应产生的畸变信息, 并通过已知畸变信息还原原始图像, 进而探索一种新型的超声速成像制导方法, 本文通过理论分析, 验证了利用背景纹影技术测量光学波前的方法, 探索了利用已知波前信息预测畸变位移场以及利用已知位移场进行波前重构的计算方法. 通过数值模拟比较了一阶梯形积分算法和Southwell方法在波前重构上的误差大小和结果合理性, 并通过误差分析证明了Southwell方法更加精确合理. 通过蜡烛火焰上方流场畸变实验和透镜对波前的扰动实验, 创造性地探索了利用已知光学光程差还原畸变位移场及用其校正畸变图像的方法, 并通过验证性实验证明了校正方法的有效性.     

强激光远场光束质量参数的测试

 提出漫射红外成像-多点标校测量方法,用于测量强激光远场光束质量参数。在激光远场距离处设置漫反射靶板,用成像探测器摄取经靶面漫射的脉冲强激光光斑图像;在靶面中心处挖小孔,孔后放置能量探测器实时测量激光脉宽和峰值功率。同时对整个激光光斑图像进行能量定标,进而得出远场脉冲强激光的实际空间能量/功率分布、总能量,以及相应的光束质量参数。应用该测量方法,对高能TEA CO₂激光进行测量研究,测得其远场光束截面半径为80.2 mm,发散角为1.55 mrad。     

神光Ⅱ升级装置远场准直系统研究

用于实现光束调整的自动准直系统不仅是保证高功率激光装置高效、安全、可靠运行的关键子系统,同时也是保证光束近场和远场质量的关键要素之一. 通过巧妙的光栅制作和照明成像系统设计,实现了高精度、模块化的远场准直系统. 其特点在于利用光栅的衍射特性,实现了远场焦斑和基准的同时离轴取样. 此系统在神光Ⅱ升级装置预放系统的实验结果表明,其光栅基准的复位精度优于8 μm,准直过程中基准的抖动低于0.59 μm;准直完成后,焦斑中心和基准中心的最大偏差优于10 μm. 此系统在实现了高精度取样、准直的前提下,不仅降低了对 关键词： 激光技术 激光光学系统 空间滤波器     

会聚光束中偏振匀滑的远场特性分析

靶点激光焦斑的偏振匀滑是激光聚变驱动器的关键技术。建立数学模型,对会聚光束中的偏振匀滑进行理论分析。指出该技术在光束远场纵向的匀滑效果,推导激光远场横向分离量和纵向分离量分别与偏振匀滑晶体厚度和倾斜角度的关系。通过数值模拟,给出了激光远场焦斑形态参数与晶体参数之间的关系曲线。结果表明,当晶体厚度和偏转角度取特定范围时,焦斑可以得到最佳的匀滑效果。     

可视化聚焦纹影系统实现流场中的三维扰动成像

可视化成像系统可以实现流场中扰动信息的捕获。针对光学纹影系统,分别从理论和实验上对比研究了流场中的三维超声扰动成像。因三维超声场在光传播方向上引起的流体介质密度变化不同,光波穿过密度变化的流场时,其相位累积变化使图像不能真实反映声场的扰动特征。线型栅的聚焦纹影系统因其线型栅会产生多刀口滤波的作用,故不能对流场中的三维超声扰动场实现完整成像。为了获得流场中的三维扰动特征,提出了采用环型源栅和刀口栅的改进聚焦纹影系统。结果表明:由改进聚焦纹影装置得到的图像扰动特征与实际流场中超声扰动特征相一致;结合图像重构技术,实现了流场中三维复杂扰动的重构。     

适用于化学动力学研究的激光纹影系统

激光纹影技术特别适合检测激波后高温快速反应的反应速率。本文建立的激光纹影系统能很好地从事化学动力学研究。并对Kiefer的激光纹影系统进行了改进,改进后的激光纹影系统测定结果稳定,操作简便。     

离轴八程放大器自动准直技术研究

展示了基于离轴八程激光放大器的闭环自动准直技术研究,该项技术旨在用自动准直系统取代手动光路准直的方式,明显提高了该构型复杂的多程激光放大器的运行效率、准直精度与其输出光束质量。该技术利用主激光照明和像传递系统实现离轴八程激光放大器中滤波器小孔空间位置的精确标定,通过边缘检测处理远场光斑得到其指向中心。基于光斑中心与基准间的差值,对特定反射镜架进行二维控制进行光束指向补正,从而实现离轴八程放大器系统的闭环自动准直。研究结果表明,实验结果契合离轴八程放大器系统对光束准直准确率与效率的要求,验证了该准直技术在离轴八程激光放大光路中应用的可行性。     

高功率激光驱动器光束自动准直目标定位算法

为满足高功率激光驱动器光束自动准直的高精度和实时性要求,提出了一种快速高精度的自动准直目标定位算法。首先利用变结构元广义数学形态学边缘检测算法在充分提取图像边缘细节信息的同时抑制图像噪声的影响,然后采用拉格朗日多项式插值算法对圆目标轮廓进行快速亚像素定位,最后利用最小二乘拟合以及几何形心拟合的方法实现图像中光斑目标中心的精确定位。该算法在神光Ⅱ升级装置的光路自动准直中得以验证,实验结果表明八路预放光路准直时间小于3 min,主放光路准直时间小于7 min,主放输出光束近场准直准确度优于0.2%,远场指向准确度优于0.2(RMS)。     

基于纹影法的气体温度场可视化系统的设计

纹影法是介质折射率变化可视化的实用方法.本文基于分束镜等光学器件设计了一种新的折叠式纹影光路,可改善传统光路的低清晰度问题,同时利用光线的正入射消除了重影干扰.利用热风拆焊台出风口热流进行定标实验,获得纹影图像灰度值的差值与温度的函数关系,并利用纹影图像绘制灰度三维图像,实现了气体温度场可视化处理,提供了一种非接触测量气流温度与温度场摄像系统的测量方案.