大口径反射镜低应力夹持技术

高功率固体激光装置对大口径反射镜附加波前畸变和姿态稳定提出了苛刻的要求,在确保姿态稳定性的同时,要求低应力夹持使附加波前畸变峰谷值（PV值）＜λ/3, 波长λ＝633 nm。提出了一种正面三点支撑结合侧面八点限位的大口径反射镜夹持技术,对该夹持结构下引起的附加波前畸变进行了仿真和实验研究,并对反射镜姿态稳定性进行了不同工况下的实验模拟。结果表明,该夹持方式引入的附加波前畸变PV值约为23.6 nm,振动、晃动、翻转不同工况下反射镜指向变化PV值小于50 μrad,附加波前畸变和姿态稳定性均满足高功率激光装置的要求。     

强激光对传输光学元件热效应的数值模拟研究

强激光通过反射镜、窗口等光学元件传输过程中，光学材料对激光会有微弱的吸收，由此引起光学元件的热畸变，影响传输效率和远场能量集中度。基于三维瞬态热传导方程和弹性应力-应变方程，研究了波长1.315μm非对称环形强激光束辐照下硅反射镜、白宝石窗口的温度、变形和应力的分布规律，特别研究了激光强度、激光输出时间、光束遮拦比、光强分布的空间梯度等对元件热效应的影响；还研究了波长3．8μm非对称空心矩形激光束辐照下氟玻璃窗口温度、变形和应力的分布规律。计算了变形对光束波前位相和光束质量的影响。     

高平均功率电光开关晶体热畸变分析

 深入分析了方板构型的电光开关晶体在高功率载荷条件下的热畸变行为，讨论了光强分布对热效应的影响。以KDP晶体为例，分别计算了激光束光强为高斯分布和均匀分布时晶体的温升、相应的热应力分布、波前畸变以及热退偏。结果表明，光强的分布形式对波前畸变和热退偏的影响是不同的。相对于光强均匀分布的激光束，高斯光束减缓了光斑边沿处的温度梯度，产生的热应力较小，因此可以减弱热退偏效应；另一方面，在光束口径范围内，高斯光束产生了附加的温度分布非均匀性，因而波前畸变会大一些。     

振动对星间相干激光通信的影响

针对星间相干激光通信中卫星平台的振动造成发射天线和接收天线的瞄准角误差，使系统信号信噪比下降，误码率 (BER)增加，该文以瑞利分布作为振动造成的瞄准角误差模型，结合高斯本振光和艾里信号光外差检测模型，以PSK零差通信体制为例分析卫星振动对系统的瞬时误码率和平均误码率的影响，给出误码率仿真计算结果。指出接收天线瞄准角误差对星间光通信质量影响很大，在瞄准角误差的标准偏差σ小于1μrad范围内，系统误码率小于10^-6。     

基于低相干光的阵列透镜束匀滑技术研究

基于激光加载的材料状态方程的实验研究对靶面光强分布的均匀性及稳定性提出了极高的要求,靶面光强的上述两大特性在很大程度上决定了实验结果的精度和可重复性.本文针对传统窄带高相干激光装置在激光加载材料状态方程实验中表现出的靶面光强均匀性和光强分布稳定性两方面可能存在的问题,提出了基于宽带低相干激光,利用消衍射阵列透镜联合诱导非相干技术的束匀滑方案,并重点分析了波前相位畸变对靶面不均匀性及稳定性的影响.模拟结果表明,该方法明显降低了靶面不均匀性,提高了对波前相位畸变的包容度,获得了均匀、稳定的光强分布.统计分析显示,焦斑强度分布极差和不均匀性与波前相位畸变均方根梯度相关性较强.因此,可以根据统计结果以及实验对焦斑强度分布的要求,给出波前相位畸变的容差范围,对状态方程实验中激光驱动器参数的设计与优化具有指导意义.     

自由电子激光光束线反射镜无应力夹持设计与分析

反射镜是自由电子激光光束线中的重要光学元件,反射镜自重引起的面形误差会严重影响光束线的成像质量。为减小自重引起的面形误差,基于Bessel点理论提出了重力补偿方案,并设计了无应力夹持装置,利用有限元软件对该装置进行仿真分析。以尺寸为440 mm×50 mm×50 mm的反射镜为例进行分析,传统支撑方式下反射镜下表面面形误差为1.647μrad,采用本文提出的夹持方案后面形误差降至0.085 7μrad,优于工程指标0.1μrad。为防止反射镜在工作模式切换时发生窜动,可对反射镜添加不超过2 N的微小夹持力,此时反射镜的面形误差为0.093 9μrad。此外,还对装置进行了动力学分析,结果显示:该设计方案可有效防止装置存在较低的固有频率,在使用过程中不会产生共振现象,满足光束线的使用需求。     

光强非均匀分布对波前曲率传感器的影响

为了将波前曲率传感器用于涉及激光波前的领域,理论分析了非均匀光强入射条件下的曲率传感器测量信号。用菲涅耳衍射公式,数值计算了相位分布为前10阶泽尼克多项式,光强为高斯分布和正态随机分布闪烁的曲率传感器信号,并和相同相位分布,光强均匀情况下的传感器信号比较。分析表明光强非均匀分布给波前曲率传感器测量信号带来了一定的误差。光强高斯分布对散焦相差的曲率信号影响较大,信号百分比误差达到25%,对其他相差的曲率信号影响很小;对于有正态随机分布闪烁的光强分布,信号百分比误差与正态随机分布的均方差成线性关系。在一定条件下,波前曲率传感器也能够用于光强非均匀分布的领域。     

二次成像型库德式激光通信终端粗跟踪技术

库德式激光通信终端粗跟踪探测器大视场接收信标光时,需通过望远单元、多块库德反射镜、分光片和粗跟踪透镜组,信标光传输路径长,使得后续子光路粗跟踪支路口径明显增加;捕获时望远单元和库德反射镜与粗跟踪探测器存在相对运动,信标光传递环节多,跟踪模型复杂。针对这两个问题,首先,对比了3种传统库德光路,选择二次成像型库德光路并对其进行设计,通过设计使后续子光路光学口径减小,利于后续子光路轻小型化设计;随后,对二次成像型库德式激光通信终端的跟踪模型进行推导,通过反射镜矩阵和坐标变换建立跟踪模型,并用Matlab-Simulink对跟踪模型进行仿真;最后,通过地面试验,对终端的跟踪性能进行测试,实测方位跟踪最大脱靶量为84.65μrad(3σ)、俯仰最大脱靶量为56.33μrad(3σ),满足通信要求的150μrad(3σ),二次成像型库德结构和跟踪模型可满足星间激光通信粗跟踪捕获和跟踪要求。     

连续相位板束匀滑容差能力分析

在惯性约束聚变系统中,改进G-S算法设计的连续相位板能够对波前发生畸变的激光进行束匀滑处理,以改善远场分布。由于连续相位板对不同畸变状态的波前进行处理后的效果不一样,因此针对连续相位板的束匀滑容差能力进行了系统分析。鉴于畸变光束的传输特性,采用波前均方根梯度来量化波前畸变量,定量计算了不同畸变光经过匀滑处理后的远场光强分布情况。并比较了不同入射畸变光通过连续相位板后的远场焦斑顶部均匀性,结果表明:当入射波前畸变的均方根梯度小于0.32 wave/mm 时,连续相位板具有很好的束匀滑效果。     

一种静态傅里叶变换红外光谱仪的光学系统分析与设计

对基于多级微反射镜的傅里叶变换红外光谱仪进行了光学分析,研究了光源尺寸、光强分布的不均匀性和光学系统像差等因素对光谱复原的影响。发现光源尺寸影响光谱分辨率,光强分布的不均匀性和光学系统像差会产生基线噪声。数值计算的结果表明,当光阑的尺寸小于2.5mm,不均匀的标准偏差小于0.5,准直系统的波像差均方根值小于0.05,以及缩束成像系统的光斑直径小于30μm时,光谱复原的噪声可以忽略。给出了光学系统的设计结果。     

星地激光通信中分布式接收阵列的特性研究

星地激光通信中,发射机对准误差及大气湍流会引起接收信号衰落,对带前置光放大的阵列接收机,分析了分布式接收阵列的抗衰落性能。研究表明,分布式接收阵列对发射机对准误差引起的衰落具有一定抑制作用,阵列中各子接收孔径之间的距离可根据发射机对准误差及湍流的强弱进行优化设计。与传统式阵列相比,分布式阵列可以采用更窄的发射光束宽度,降低对发射功率的要求。分布式阵列的另一个重要特性还在于:当实际发射机对准误差标准差大于设计值时,通过调整阵列各子接收孔径之间的距离,可以在很大程度上降低发射机对准误差引起的功率损失。     

Influence of satellite vibration on optical communication performance for intersatellite laser links

For intersatellite laser links, vibration-induced pointing jitter severely influences the communication quality as a result of intensity fluctuation. In this paper the probability density function of normalized intensity at the receiver is derived in the presence of pointing jitter taking consideration of bias error. Accordingly, the scintillation index is developed to identify the impact of bias error on intensity fluctuation. Furthermore the bit error rate (BER) is obtained as a function of the beam divergence angle and vibration variance. Qualitative analysis is also given, and the numerical simulation is carried out for demonstration. Results suggested that bias error has a significant detrimental impact on optical terminals which should be considered in system design. This work can benefit the intersatellite optical system design.     

Influence of temperature gradient at the reflectors on the bit-error rate in periscope laser communication systems in the presence of platform vibrations

We propose a reflector back-fixing method for substantially improving the pointing accuracy in comparison with the around-fixing method. We use the developed model for analyzing the bit-error rate (BER) in the presence of the satellite??s platform vibration. We consider the relationship between the BER and temperature gradient at elliptical reflectors, in view of the two fixing methods mentioned above. We also analyze the effect of beam wavelength and truncation ratio on the BER. We find that the back-fixing of the reflectors can reduce substantially the BER, thus, providing stabler performance of periscope laser-communication systems.     

基于EKF的水下LD通信精对准控制算法

高速激光通信中接收机与光斑中心很难处于精对准状态,导致水下光通信链路难以稳定建立.首先采用蒙特卡洛仿真统计法分析激光光子在海水中传输的接收光强分布规律,再通过实验对接收端的光斑图像进行采样分析,利用曲线拟合得到接收器位置与接收光强的关系.仿真与实验结果表明:光束经过25 m的水下传输,接收光强分布仍近似为高斯分布.采用非线性估计算法(扩展卡尔曼滤波)与基本状态控制反馈理论,根据接收光强度估计接收器当前位置与最大光强处的距离,通过反馈算法实现接收端与光斑中心的主动跟踪对准.算法仿真结果显示,接收端对准误差在2 mm以下,稳定后接收效率超过98%.     

Influence of wave-front aberrations on bit error rate in inter-satellite laser communications

We derive the bit error rate (BER) of inter-satellite laser communication (lasercom) links with on-off-keying systems in the presence of both wave-front aberrations and pointing error, but without considering the noise of the detector. Wave-front aberrations induced by receiver terminal have no influence on the BER, while wave-front aberrations induced by transmitter terminal will increase the BER. The BER depends on the area S which is truncated out by the threshold intensity of the detector (such as APD) on the intensity function in the receiver plane, and changes with root mean square (RMS) of wave-front aberrations. Numerical results show that the BER rises with the increasing of RMS value. The influences of Astigmatism, Coma, Curvature and Spherical aberration on the BER are compared. This work can benefit the design of lasercom system.     

大气环境下用于瞄准的激光波束传播特性研究

针对激光瞄准过程中的光斑偏移现象,结合修正的Von Karman谱的折射指数起伏和Hufnagel-Vally湍流模型上的近似积分,研究了高斯脉冲光束在湍流大气中远场水平以及斜程传播时的脉冲展宽和闪烁指数,分析了强湍流条件下1.06 μm准单色光斜程大气传输光强分布与脉冲展宽的关系,对数值结果进行比较,发现远距离传输中波长和距离对波束瞄准偏差影响较大.从理论和实验上对大气环境下激光光斑瞄准偏差进行了分析研究,研究结果表明:将激光光斑全场数据及分析结果应用到现有偏差补偿算法中,可以实现激光瞄准偏差的有效补偿,在大气能见度1 km～3 km范围内,激光瞄准偏差测量误差σA≤0.1 mrad.     

星地激光链路中光束发散角与跟瞄误差的最佳比值

 实际星地光通信系统的发射光束为高斯型的情况下，跟瞄误差和大气闪烁是星地激光链路中的主要信道噪声源。在结合两者对系统性能影响的前提下，对星地激光通信链路进行了理论分析和模型建立。基于该模型对星地激光链路中光束发散角与跟瞄误差之比的优化选择问题进行了研究。结果表明：对于上行链路，在不同误码率需求下都存在一个光束发散角与跟瞄误差的最佳比值，使得上行链路余量最大；对于下行链路，在不同误码率要求下均存在一个光束发散角与跟瞄误差的最佳比值，使得下行发射光功率的需求最小。利用最优化方法和最小二乘法拟合，得到星地激光链路中光束发散角与跟瞄误差的最佳比值和系统误码率的经验公式。     

OFLID: Simple method of overlap factor calculation with laser intensity distribution for biaxial lidar

We proposed a simple overlap factor calculation method based on laser intensity distribution (OFLID), which is simple, practical and can be applied to any specific laser intensity distribution. In order to obtain the laser intensity distribution and parameters of our laser system, we designed a simple experiment to measure them, and then simulated an ideal Gaussian and uniform laser intensity distribution with the measured parameters. The OFLID calculation results indicated that the overlap factor of the measured distribution has approximately half the relative error of that of the ideal Gaussian distribution in the increasing range field for our lidar. Specifically, the laser intensity distribution should be regarded in the overlap correction of the lidar signal. Theoretically, the OFLID method can reduce the error caused by the hypothesis of ideal uniform or Gaussian intensity distributions in the analytical method. In addition, the method is easy to implement for overlap correction, signal simulation and system configuration optimization for biaxial lidar.     

激光功率密度对Al膜靶后表面快电子发射的影响

 报道了在20 TW皮秒激光器上完成的p偏振激光与等离子体相互作用过程中产生的快电子的角分布和能谱测量结果。实验得到：当激光功率密度小于10¹⁷ W/cm²时,电子发射没有明显定向性,在激光入射面内多峰发射;当激光功率密度大于10¹⁷ W/cm2,小于10¹⁸ W/cm²时,电子主要沿靶面法线方向发射;当激光功率密度达到相对论强度时,电子主要沿激光传播方向发射;激光功率密度未达到相对论强度时,靶后表面法线方向快电子能谱拟合平均温度符合共振吸收温度定标率;激光功率密度达相对论强度以上时,靶后表面法线方向快电子能谱拟合平均温度高于已有的温度定标率。     

激光斜入射光阴极对束流质量的影响及其优化

 针对美国布鲁克海文国家实验室（BNL）型的光阴极微波电子枪,模拟了不同分布状态的驱动激光脉冲斜入射光阴极对束流质量的影响,给出了改变注入相位和补偿线圈磁场强度对发射度的优化结果。结果表明：光斑椭圆化将会导致发射度的大幅增长,优化效果不理想;波前不同步导致的发射度增长对于纵向高斯分布的脉冲可以得到理想的优化。对于斜入射引起的光斑椭圆化和波前不同步问题给出了光学校正方法及部分测量结果。此外,模拟结果显示,对于横向均匀分布的激光脉冲,适当椭圆度的光斑比圆形光斑更有利于提高电子束质量。