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。     

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。     

LD端面泵浦Nd∶YAG激光器中的热透镜焦距

采用热透镜焦距的理论计算与实验测量相比较的研究方法，得到一种端泵固体激光器出激光时的在线测量方法.通过建立热透镜等效腔模型以及腔型分析求解得出腔内光束束腰半径,用刀口法测出DPL腔外的远场发散角,根据发散角与透镜变换前后的束腰关系，得出LD端面泵浦Nd∶YAG激光器中的热透镜焦距.结果表明,通过上述方法所得结果与理论计算的热透镜焦距吻合,证实此方法准确、可行.     

激光热透镜焦距测量实验及其公式改进

通过平平非稳腔法对激光热透镜焦距进行了实验测量,研究了不同抽运光束腰位置对热透镜焦距的影响.从理论上引入抽运光远场发散角和束腰位置,对端面抽运激光晶体热透镜焦距公式进行了改进.     

测量整体X光透镜性能的一种新方法

为了高效准确地确定整体X光透镜焦斑位置,设计了一种新方法:轴向扫描法.该方法避免了探测系统的死时间问题,可以在大能量范围内同时测量透镜在不同能量点的出口焦距,在确定透镜出口焦距时,测量结果的绝对误差范围在-120μm和120μm之间.实验结果表明:透镜的出口焦距随着能量的增加而增加.     

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.     

激光能量叠加过程中对准精度对焦斑的影响

利用多光束激光输出耦合叠加是一种提高激光器输出功率的有效方法。采用两束矩形激光对准系统,分析两光束不同对准情况下的焦斑特性。完全对准的情况下,两束光的远场焦斑重合在一起,焦斑能量是两光束能量之和。在实际光束对准系统中,讨论了三种常见的对准误差,并比较了这些误差对焦斑特性的影响。利用ZEMAX软件对设计系统进行了模拟分析,并进行了实验验证。结果表明,元件的位置误差会使远场焦斑能量集中度降低,焦斑半径增大。     

3 mm圆锥喇叭聚焦天线的理论与仿真

介绍了基于传统光路法的聚焦透镜的设计方法。利用电磁仿真软件计算了透镜置于圆锥喇叭口的3 mm聚焦透镜天线的性能。根据圆锥喇叭最大方向系数及现有文献公式确定喇叭张角,仿真得到天线聚焦性能不够理想。然后仿真了张角12,20,30三种天线聚焦性能,其焦距随张角增大而增大,逐渐接近所设计焦距。从而验证了光路法需电磁波长相对喇叭口径足够小的结论。给出了喇叭张角12,20,30三种天线焦平面上电场分布。喇叭张角30天线焦斑小于2倍波长。     

整体X光透镜性能实验研究

利用高计数率探测器和低功率光源,在大的能量范围内,同时测量了整体X光透镜的传输效率和焦斑直径与能量的关系。实验结果表明：透镜的焦斑直径随着能量的升高而减小;对04-5-10-5透镜而言,在高于5．8keV的能量范围内,透镜的传输效率随着能量的升高而降低,在低于5．8keV的能量范围内,透镜的传输效率随着能量的升高而增加。通过测量不同能量的X射线在透镜会聚光束中的空间分布,研究了短出口焦距透镜的光晕现象,光晕会导致透镜焦斑直径增大和传输效率测量值的增加。利用轴向扫描法研究了整体X光透镜出口焦距和能量的关系,实验结果表明：会聚透镜的出口焦距随着X射线能量的升高而增加。     

卫星激光通信端机远场模拟及远场测试技术研究

卫星激光通信需要进行端机远场模拟及远场测试技术研究。在室内短距离模拟远场分布的测试系统中,可以采用透镜变换,在透镜焦平面处得到远场分布。实际测试时引入点光源及平面反射镜,保证焦面位置确定的准确性。模拟卫星激光通信端机平行出射光的远场光斑,经实验检测,光斑第一、二、三级暗纹直径与远场光斑理论值比较的相对误差均小于5%。这表明,该方案可以准确模拟和测试端机远场。该研究工作对卫星激光通信捕捉概率的研究、通信研究、光链路功率的实测核准以及端机性能的整体评估有重要意义。     

基于二次成像的像面干涉高光谱成像方法

像面干涉高光谱成像技术主要应用于遥感成像领域,为了实现不同距离目标的光谱成像探测,提出了一种基于二次成像的像面干涉高光谱成像方法。通过在无限远成像系统中加入前端成像物镜、中继准直物镜和横向剪切分束器,构建一个二次成像的干涉系统。通过采用分离式的前端成像物镜方案,选用变焦镜头或不同焦距的定焦镜头,有效地兼顾远、近距离目标的成像光谱探测。对该方法的成像系统、光谱分辨率和推扫方式等方面进行了分析,进一步搭建了实验装置,对室内近场目标和室外远场目标进行了成像实验,并对生物组织进行了显微光谱干涉成像实验。实验结果表明,该成像方法能够有效用于不同距离目标的高光谱成像探测。     

光束控制系统热效应与球差对激光光束质量的影响

采用Strehl比、桶中功率、β参数和束宽描述远场光束质量，研究了光束控制系统热效应和球差对远场激光光束质量的影响.用四维仿真程序作了详细计算，给出了数值计算结果并进行了物理分析.研究表明，传输通道的热效应和正球差会使远场光强分布扩展，可聚焦能力下降，光束质量变差.有意义的是，当激光发射功率达到一定值时，合适选取负球差会在几何焦面得到比无球差时更高的峰值光强和更好的可聚焦能力.但在以前的工作中，由于焦移，类似的结论是在实际焦面上得出的.非线性热晕的存在是其物理原因，对此用数值计算例子作了说明. 关键词： 高功率激光 热效应 光束控制系统 球差     

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。     

Fresnel diffraction model for the point spread of a laser light profile microscope (LPM)

Light profile microscopy is a new method of thin film imaging in which a microscope forms an image of a laser beam intersecting a thin layer along its depth axis. Emission (luminescence or scatter) from the beam volume is transmitted through a cross sectional view surface and used by a microscope to form an image of the beam propagating through the sample. Fresnel diffraction theory is used in this work to derive a point spread model for a microscope operating in this configuration, assuming that the emission from the source beam is completely incoherent. This theory illustrates the dependence of the image resolution on the laser beam radius, which determines the effective thickness of the system object seen by the microscope. The effect of relative displacement of the source beam center from the object plane of the microscope is evaluated. The present theory shows that radial resolution may be evaluated by means of an object focus envelope and a focal energy distribution computed for the objective lens. PACS 42.25Fx; 07.60Pb     

Automatic compensation of laser beam focusing parameters for flying optics

Flying optics technologies are used for a range of applications such as a large workpiece processing and laser texturing. It is essential to compensate the variations of laser beam focus parameters while the focus head is moving. A flying optics automatic compensation approach is proposed to achieve invariable laser focal size, focus depth and focus position through computer controlled objective lens and focus lens position. A simple mechanical control method is also presented for the realization of constant beam parameters for flying optics. Numerical simulation is illustrated for a CO₂ laser texturing application. The flying optics parameters compensation is simple and easy to control.     

Liquid Pressure Varifocus Lens

A liquid pressure varifocus lens that consists of a thin polymer film and liquid is described. The lens can be continuously changed from a concave to a convex shape by driving the liquid pressure in the lens. The dynamic range of the focal length of the convex lens is from 50 to 250 mm. A beam spot verifies the variable focal function on a photographic film exposed by a He-Ne laser. In addition, the application of the laser for processing is demonstrated to manufacture Fe compressed powder sheets by normal pulse YAG laser. Its melting marks along a focus change are formed with a minimum width of 0.1 mm.     

采用大口径投影光学系统监测远场散斑特征参数

大口径投影光学系统采用低成本、大口径菲涅耳透镜制作,可将远场散斑强度分布投影到CCD成像探测器上。通过CCD图像处理,能够对给定孔径上的接收功率、闪烁指数进行量化评估;在接收孔径足够大、保障散斑不会因为光束漂移效应而脱离菲涅耳透镜的条件下,该系统还可以对光束漂移和特征半径进行量化评估。同时讨论了CCD像元响应非均匀性误差及其影响、CCD辐照响应函数和图像几何投影系数的定标方法。实验表明,系统能够对激光大气传输过程中的远场散斑特征参数进行监测。特别对自由空间激光通信系统而言,可以为大气衰减和多种大气湍流效应综合作用下的中值电平慢衰落研究和检测阈值优化设计提供实验数据支撑。     

线激光束均匀化整形方法研究

为解决核物理工程、表面热处理、激光加工、激光通信中传输激光束的均匀性问题,提出采用三角楔柱透镜改善线激光均匀性的新方法,并在ZEMAX开发环境下建立了整形光路系统的理论模型。利用所建立的模型,分析了整形柱透镜在不同半径、斜面夹角、透镜介质折射率等参数下光束的均匀性。研究表明：在远场条件下,通过改变整形柱透镜的参数,能够得到能量分布均匀的线激光。在实际应用中,可以采用1个半圆柱和2个相同三角楔胶合成型的简单工艺。进一步模拟发现,两种整形系统所得到的均匀度和线宽一致。     

Large-aperture double-focus laser collimator for PAT performance testing of inter-satellite laser communication terminal

A laser collimator is necessary for testing and verification of the pointing, acquisition and tracking (PAT) performance of inter-satellite laser communication terminals on the ground. The laser collimator must have a large clear aperture to fit the PAT performance testing system. The PAT subsystem has a large field of view for the acquisition and a high angular accuracy for the fine tracking. To resolve the conflict between large field of view and fine angular resolution, a large-aperture double-focus laser collimator is proposed and its optical design and mechanical structure are described. The collimator mainly consists of a primary lens, a reflector, a beam-splitting plate, a secondary lens, two compensating lenses, two imaging sensors and a laser. The primary lens directly forms the long focal length arm of the collimator. The combination of the primary lens and the secondary lens form the short focal length arm of the collimator. The collimator has an angular resolution <0.75 μrad and a 10 mrad field of view. For the collimator, the incident beam is focused on the two imaging sensors by its two arms, and the beam emitted from the laser is collimated and transmitted. The collimator is combined with an optical scanner and a fine beam deflector to test and verify the PAT performance of the inter-satellite laser communication terminal in a full physical manner.     

光场多光谱相机像方远心镜头光学设计

光场多光谱成像技术具有能够同时获取目标二维空间信息和光谱信息的能力，利用光谱信息可以实现目标的分类和识别。为了快速、便捷地获取空间目标的完整光谱信息，实现目标表面光谱信息的真实记录，基于光场多光谱成像原理，采用光谱分光滤光片阵列分光实现主透镜系统入瞳孔径的分割，设计了一款应用于光场多光谱相机的像方远心镜头光学系统。光学系统具有宽波段400 nm~1 000 nm，焦距为240 mm，F数为4，全视场15.52°。像质评价与系统公差分析结果表明:设计的光场多光谱相机的像方远心镜头可以满足实际加工以及正常使用要求。