随机并行梯度下降湍流场光束净化的实时校正实验研究

自适应光学技术可用于补偿高能激光系统出射光束的波前畸变以改善光束质量.为研究随机并行梯度下降(SPGD)自适成光学方法用于光束净化的可行性,分别采用高速光电探测器和高速变形镜作为系统性能评价函数的测量器件和波前校正器件,搭建了迭代速率为100 Hz的SPGD自适应光学系统,并且对通电电阻丝产生的湍流所造成的动态波前畸变进行了实时校正.实验结果显示,此套自适应光学系统能够对在4 Hz以下频率范围内缓慢变化的动态波前畸变进行实时校正,针孔中远场光斑的能量提高2.2倍,稳定性提高1.4倍.这表明SPGD自适应光学系统用于光束净化是町行的.     

光学系统的光束指向稳定性光电测试法研究

从振动的基本理论出发,应用矩阵光学理论,推导了光学图像法测试光束指向稳定性的原理。设计了光电法测试光束指向稳定性的测试应用,并搭建了实验光路,结果表明:光学图像法可以准确分析光束指向稳定性误差的大小、产生的误差的振动频率及其影响程度,并结合加速度计的电学法测试,可以探测光路中引起光束指向误差的来源。光电法测试结果正确可靠、简单方便,具有较好的工程应用价值,特别适合大型光学系统的光束指向稳定性测试。     

光学器件微振动引起的光束指向稳定性分析

提出一种可以从时域和空域两个方面更准确地表征光束指向稳定性的动态方法,解决大型光学系统中光学器件微振动对光学系统的影响的描述问题.基于实际应用中机械结构的模态分析及微振动对光束的影响,将机械模态和光学系统有机地结合起来,建立了光学器件微振动模型.然后以神光Ⅱ装置中的空间滤波器为研究对象,分析了空间滤波器出射光角度的时间...     

“LPP-EUV”光源中的高功率CO_2激光监测与控制系统

为了满足激光诱导等离子体（LPP）体制下极紫外（EUV）光源对CO2激光器提出的稳定性需求,建立了简化的CO2激光传输系统模型,根据光束稳定性需求对光束功率、指向和位置的监测与控制方法进行了理论和实验研究。根据高功率CO2激光传输系统特点,在实验室内建立了上述光束监测和控制实验系统,包括光束功率控制模块、光束指向控制模块和光束参数监测模块,其中光束参数监测模块可实时测量光束功率、指向、尺寸及发散角等重要参数。仿真与实验结果表明：光束功率控制模块对线偏振激光功率的控制接近1%～100%,光束指向控制模块实现的光束指向稳定度在10μrad以内,可满足CO2激光驱动源的高稳定性要求。     

光束指向稳定性高精度检测方法研究北大核心CSCD

光束指向稳定性是高能激光应用研究中的一项关键指标,光束指向稳定性的检测是高能激光系统性能实现的重要环节。以长焦距聚焦反射镜与高分辨率CCD(charge coupled device)为主要元件,构建高精度的光束指向检测装置。采用灰度重心法定位光斑中心,并以理想光斑与实测光斑为例进行验证,误差小于1个像元。利用CCD高频采样,统计单位时间内光斑中心位移,获得光束指向稳定性指标,检测实例精度可达1.25μrad。该方法简便易行,测量精度高,适用于各种波长的激光光束指向检测以及其他相关参数的测量。     

基于希尔伯特变化的微小振动激光多普勒信号处理

为了实现对固体目标微小振动参数的测量,建立了微小振动的激光多普勒信号模型。采用希尔伯特数字运算,将激光多普勒振动信号的即时信号采样转化为信号的谱采样。通过频谱计算得到每个振动周期中瞬时频率的平均数,应用差值采样序列积分计算得到振动频率,最后根据振动信号频率变化与振幅的关系得到振幅。采用希尔伯特方法对实验测试结果进行处理验证,并分析了误差来源。实验结果表明：实验测量目标的振动振幅约为1.85×10-4m,转动的圆频率约为170 Hz。因此,应用希尔伯特变换方法处理测量的目标微小振动信号,获取目标运动的参数是可行的。     

基于高斯过程回归的线性激光束指向稳定优化

为解决激光应用中的光束指向抖动问题,提出一种基于高斯过程回归（Gaussian process regression）的激光光束指向稳定性优化方案。介绍了激光光束指向稳定系统装置构成及原理,论述了高斯过程回归方法的原理及其作为激光光束快速稳定控制算法的优势。经过该方法优化后,指向抖动达到水平方向2.3μrad,竖直方向3.3μrad,将激光系统指向稳定性提高了1个数量级以上。指向性抖动为已有线性反馈系统的20%,尤其对于高频噪声优化有显著效果。该研究对于激光光束指向性敏感的精密实验和精密加工具有重要意义。     

激光推进应用中的远场光束质量评价参数研究

为进行高能脉冲激光远场光束质量评价，从激光器、发射光学系统、光束控制系统和大气传输4个方面分析了光束传输与控制辱统对远场光束质量的影响。在此基础上，综合考虑远场激光的时、空域参数，提出了一套光束质量评价指标体系，该指标体系包括远场激光的能量聚集度、能量均匀性、时间持续性和瞄准稳定性4个方面指标，共11个可实际测量的参数。     

激光光束指向稳定性的测量

光束指向的精确测定技术是光路自准直系统的重要基础技术.本文给出了激光光束指向稳定性的测量方法,利用图像采集卡、CCD相机和自主研发的图像处理软件,对静态光斑及连续He-Ne激光器的输出激光束指向偏差进行实验检测.结果表明:给出的测量系统光束指向角度的测量精度接近1μrad.     

太极计划激光指向调控方案介绍

空间引力波探测中为实现引力波信号科学测量,卫星发射到预定轨道后需首先完成百万公里级激光链路的构建。同时为保证引力波信号不会被激光指向噪声淹没,激光指向稳定性需达到nrad/((Hz)~(1/2))量级。为此需设计一套复杂而精密的激光指向调控方案。本文以太极计划为背景,详细阐述了可采用的指向调控方案。拟将整个过程将分为两个阶段,首先进行激光捕获过程,在该过程中,使用星敏感器(STR)与电荷耦合器件(CCD)作为辅助捕获探测器,将激光指向不确定区域控制到μrad量级。之后进行激光精密指向过程,利用差分波前敏感测角(DWS)技术对激光指向稳定性进行控制。根据太极计划要求,对各阶段捕获探测器提出了视场及精度要求,并论述了采用DWS技术实现精密指向的可行性。相关结论可为未来的验证实验奠定理论基础,对太极计划指向系统构建提供参考。     

抑制大型折叠腔结构光斑抖动技术的研究

针对光腔镜盒的真空变形和振动对精密光学系统的影响,分析了传统刚性连接的光学调整架平台以及球关节连接结构在减振降噪设计的不足,从支撑和柔性密封连接的角度,设计了隔离振动和光腔镜盒真空变形的精密光学调整架平台,对应用于大型折叠腔的双层光学调整架平台的动力学特性进行ANSYS仿真,并完成了光斑抖动验证实验。结果显示框架式双层光学调整架平台的第一阶弹性体频率可达到126.5,172.3Hz,很好地满足折叠腔光学调整架平台的使用要求;应用在大型折叠腔,抽真空试验前后He-Ne导引光输出光斑位置无变化,形状变化很小,出光过程中输出抖动角均方根值为3.73″,隔离振动传递效果明显。     

Short-term frequency characteristics of 2 µm single frequency Solid-state lasers

The Short term frequency stability characteristics of 2 μm single frequency Solid-state lasers was investigated. The two laser systems of 2 μm single longitudinal mode oscillation Tm, Ho:YLF microchip laser and Ho:YAG NPRO laser were designed and constructed. The Short term frequency stability of these two laser were measured with the fiber delay self-beating heterodyne method. The 3dB width of the relative frequency fluctuation of Tm, Ho:YLF microchip laser and Ho:YAG NPRO laser were measured to be 895 and 736 Hz with 500 m fiber optical (2.5 μs delay). The proportional relation between the lasing fluctuation and the delay time were 358 and 263 Hz/μs, respectively. The vibration experiment was presented and it indicated that the NPRO Ho:YAG was more terrible to the influence of vibration, which is important in the practical application of wind measurement lidar.     

激光自混合干涉测振仪的硬件系统设计

基于激光自混合干涉技术的特点,设计了一种新型半导体激光自混合干涉测振仪系统。系统将频率调制引入自混合干涉中,实现对振动物体的非接触式测量。介绍了激光自混合干涉测振仪的原理、仪器系统的光路系统设计、信号的调制模块设计、解调模块设计以及DSP系统的采集处理模块设计。该仪器体积小、成本低、易于准直、可以非接触式测量,能够测量振动频率在50kHz内的物体,其中包括非周期性振动。可以测量出振动物体的振动频率、振幅以及还原振动波形,振动幅度测量精度可以达到0．325μm,频率精度为1Hz。     

基于光学-微波同步的低噪声微波产生方法

低噪声微波在冷原子光钟、光子雷达、大科学装置远程同步等领域具有重要的应用价值.本文介绍了一种基于光学-微波相位探测技术的低噪声微波产生方案,利用光纤环路光学-微波鉴相器,将超稳激光的频率稳定度相干传递至介质振荡器.实验采用梳齿相位参考至超稳激光的窄线宽掺铒光纤飞秒光学频率梳,结合光纤环路光学-微波鉴相器和精密锁相装置,将7 GHz介质振荡器同步至光频梳重复频率的高次谐波,同步后的光脉冲序列与微波信号的剩余相位噪声为–100 d Bc/Hz@1 Hz,定时抖动为8.6 fs [1 Hz—1.5 MHz];通过搭建两套低噪声微波产生系统,测得7 GHz微波的剩余相位噪声为–90 d Bc/Hz@1 Hz,对应的频率稳定度为4.8×10^–15@1 s.该研究结果对基于光学相干分频的低噪声微波产生提供了一种新思路.     

利用自混合干涉效应的条纹计数法对扬声器振动特性的实验研究(英文)

基于半导体激光器的自混合干涉效应，通过实验研究了扬声器的振动特性。实验中，用粘在扬声器振膜上的反射镜作为目标物体（该反射镜的反射率为95％，扬声器用50Hz的正弦波驱动）,然后通过条纹计数法获得扬声器的振幅。实验结果表明，在一定范围内，扬声器的振幅与驱动电压呈线性关系。该实验装置极其简单紧凑，自混合干涉信号也十分清晰，实验方法迅速，价格低廉，易实现，而且不需要专用电源，也不需要其他的光学仪器，这一系列优点充分表明自混合干涉技术在振动测量领域具有广阔的发展前景。     

用于光频传递的通信波段窄线宽激光器研制及应用

通信波段窄线宽激光器在基于光纤的光学频率传递中有着重要应用. 本文报道了1550 nm超窄线宽光纤激光器的研制及其在光学频率传递中的初步应用结果. 利用一台激光光源, 分别锁定到两个参考腔上(精细度分别为344000和296000), 锁定后经拍频比对测得单台激光线宽优于1.9 Hz, 秒级频率稳定度为1.7×10^-14, 优于国内同类报道. 将研制的超窄线宽激光器用于光纤光学频率传递, 在50 km光纤盘上实现了 7.5×10^-17/s的传递稳定度, 较采用商用光纤激光器提高了3.2倍.     

多脉冲激光对碳纳米管悬浮液光限幅特性影响

利用实验的方法研究了碳纳米管悬浮液对脉宽8 ns,波长532 nm多脉冲激光的光限幅效应.分析了直径分布为10~20 nm的多壁碳纳米管悬浮液对重复频率分别为1 Hz、 3 Hz、 5 Hz、 10 Hz情况下532 nm激光的光限幅效应,分析计算了不同重复频率下碳纳米管悬浮液的限幅阈值,比较了不同焦距的透镜会聚入射光束情况下对碳纳米管悬浮液光限幅效果的影响.实验结果表明：碳纳米管悬浮液对不同重复频率的532 nm 激光都具有较强的光限幅特性;碳纳米管悬浮液对激光在不同重复频率入射情况下的光限幅阈值变化很大,当入射激光的重复频率为5 Hz时,碳纳米管悬浮液的光限幅阈值比单脉冲激光入射时的限幅阈值低了2倍,重复频率为10 Hz时的限幅阈值比单脉冲时的限幅阈值低了近3倍;碳纳米管在紧焦系统中的光限幅效果更好.     

在线转子振动参数的光电检测

为了测量在线转子的振动信息,以半导体激光器为光源,以PSD(position sensitive detector)为探测器,基于光电三角测量法,建立了一套包括软、硬件在内的激光测振系统。通过对该系统的标定实验表明,实际位移与所测得的位移呈线性关系。在数据处理中,对所得到的复杂时域振动信号进行了离散傅里叶变换(DFT),从而在频率域获得了转子的振动频率和振幅信息。通过采用多线程高级编程技术,解决了数据处理时间、图像及数据显示、存储时间之间的冲突,实现了在线测量。经测试表明,该测振系统的测量频率分辨率可达到0.6Hz,振幅不确定度小于±10μm。     

In-plane vibration characterization of microelectromechanical systems using acousto-optic modulated partially incoherent stroboscopic imaging

A technique using acousto-optic modulated partially incoherent stroboscopic imaging for measurement of in-plane motion of microelectromechanical systems (MEMS) is presented. Vibration measurement is allowed by using flashes of the partially incoherent light source to freeze the positions of the microstructure at 12 equally spaced phases of the vibration period. The first-order diffracted beam taken out by an acousto-optic modulator (AOM) from the light beam of a laser is made partially incoherent by a rotating diffuser and then serves as the stroboscopic light source. Both the MEMS excitation signal and the flash control signal are provided by a dual-channel function generator. The main advantage of this measurement method is the absence of a stroboscopic generator and a high speed digital camera. Microscale prototypes are fabricated and tested. Quantitative estimates of the harmonic responses of the prototypes are obtained from the recorded images. The results agree with those obtained with a commercial MEMS motion analyzer^TM with relative errors less than 2%.