基于随机输入的束匀滑位相板研究

根据随机畸变激光波前入射确定束匀滑位相板的模型,利用随机理论分析了光束通过位相屏后的传输特性、透射光远场分布的统计均值和方差.通过计算得知远场分布的方差与位相屏的傅里叶谱的平方成正比.利用数值模拟计算了随机生成的两个波前分别通过两个位相屏后的远场分布,模拟结果证实了位相屏用于随机相位畸变激光束匀滑的可行性,并显示了匀滑效果.     

基于随机输入的束匀滑位相板研究

根据随机畸变激光波前入射确定束匀滑位相板的模型,利用随机理论分析了光束通过位相屏后的传输特性、透射光远场分布的统计均值和方差.通过计算得知远场分布的方差与位相屏的傅里叶谱的平方成正比.利用数值模拟计算了随机生成的两个波前分别通过两个位相屏后的远场分布,模拟结果证实了位相屏用于随机相位畸变激光束匀滑的可行性,并显示了匀滑效果.     

随机高斯型相位板的束匀滑特性

 针对激光系统对光束匀滑的需求,设计了高斯型连续相位板,并对其远场特性进行了研究。分别计算了相干长度为39,30,10和3 mm的高斯相位板远场光斑分布,结果显示相位板自身相关长度是决定远场能量分布的重要因素,当相干长度大于10 mm时,由于不满足各态历经条件,远场光斑分布能量分散。当相干长度小于10 mm后,由于满足各态历经条件,远场光斑能量将接近理想的高斯分布特性。通过数值计算模拟了相干长度为3 mm的连续相位板对畸变光束进行匀滑处理的过程,演示了束匀滑处理结果。通过比较匀滑前后远场光斑的能量分布,显示了畸变光束通过连续相位板后远场光斑能量分布变化情况,通过相位板后,光斑形状明显接近理想高斯分布情况。     

连续位相板均方根梯度对焦斑匀滑特性的影响

为满足惯性约束聚变(ICF)系统中,对焦斑均匀辐照的条件,研究了连续位相板(CPP)面形特征对远场光斑质量的影响.从波动光学和几何光学两个不同的角度建立分析模型,并利用均方根梯度这一参数将其统一起来.利用所建立的分析模型,通过数值计算研究了CPP面形均方根梯度对低频畸变光束的匀滑效果.结果表明:随着CPP均方根梯度增大,匀滑后的远场焦斑半径增大;光束顶部不均匀性先很快减小,再缓慢降低,最后趋于不变,可见CPP对光束的匀滑效果明显;束匀滑过程对能量利用率的影响先几乎不变,然后逐渐减小.当CPP的相关长度不变,均方根梯度在0.2-0.8 wave/mm范围内时,光斑尺寸、光束顶部不均匀性及能量利用率都在较好的范围. 关键词： 连续位相板 均方根梯度 光束匀滑 聚焦光斑     

连续相位板面形特性对远场分布的影响

惯性约束聚变(ICF)系统打靶对焦斑的大小及能量分布均匀性都有明确的要求,在连续相位板设计过程中要同时兼顾这两个方面。研究了连续相位板的面形与远场焦斑光强均匀性间的关系,从理论上推导了元件表面调制深度与焦斑尺寸的关系,并进行了定量计算。结果表明,焦斑半径随连续相位板的面形调制深度线性增加。鉴于连续相位板具有的随机特性,比较了不同相位板远场特性的区别,研究了面形调制深度对其光强峰谷值和均方根值的影响,结果表明不同设计的连续相位板,远场特性有较大的不同。当面形调制深度在5~15个波长时,焦斑具有较低的光强峰谷值和均方根值,连续相位板具有较好的束匀滑效果。     

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.     

影响连续相位板聚焦性能的主要因素

为提高惯性约束聚变系统中聚焦光斑的能量集中度,分析了在应用过程中影响连续相位板性能的主要误差来源,并建立了相应的数学模型。通过分析得出存在误差时远场焦斑的能量集中度和均方根值,且口径误差、对准误差、振幅畸变误差对连续相位板的聚焦性能影响很小,波前畸变影响能量集中度的权重最大。进一步分析可知:当畸变波前相关长度与连续相位板的最小空间周期（10 mm左右）相当时,畸变波前极大地影响激光的聚焦性能,提高惯性约束聚变系统中畸变波前的相关长度是提高聚焦光斑的能量集中度的有效方法。     

Factors affecting focusing performance of continnous phase plate concentration

为提高惯性约束聚变系统中聚焦光斑的能量集中度,分析了在应用过程中影响连续相位板性能的主要误差来源,并建立了相应的数学模型.通过分析得出存在误差时远场焦斑的能量集中度和均方根值,且口径误差、对准误差、振幅畸变误差对连续相位板的聚焦性能影响很小,波前畸变影响能量集中度的权重最大.进一步分析可知:当畸变波前相关长度与连续相位板的最小空间周期(10 mm左右)相当时,畸变波前极大地影响激光的聚焦性能,提高惯性约束聚变系统中畸变波前的相关长度是提高聚焦光斑的能量集中度的有效方法.     

激光惯性约束聚变驱动器终端光学系统中束匀滑器件前置的条件研究

对激光惯性约束聚变（ICF）驱动器终端光学系统中连续相位板（CPP）的位置优化进行了研究.根据高强度激光非线性及微扰传输理论计算了CPP前置时激光通过频率转换系统以后的近远场光束特性和系统的三倍频转换效率.研究发现,前置于基频光路的CPP对三倍频转换效率和出射光束特性均有影响,但只要远场圆形焦斑直径小于05 mm,三倍频转换效率的下降与出射光束通量对比度的上升均在容许范围之内,同时远场焦斑形态和能量集中度也符合设计要求.对于实现远场小焦斑匀滑的CPP前置于ICF的基频光路中进行光束匀滑和整形,不会对IC 关键词： 连续相位板 束匀滑元件 惯性约束聚变 光束通量对比度     

波前畸变下连续相位板焦斑的计算与实验

为了提高惯性约束聚变(ICF)激光装置中连续相位板(CPP)的焦斑性能,建立了波前畸变下连续相位板焦斑的理论计算和分析模型,并根据CPP使用条件搭建了三倍频大口径CPP远场离线测试系统。对加工330mm×330mm口径的CPP和波前畸变元件进行了理论计算和离线测试实验的对比研究。理论计算和实测的焦斑形貌、参数数值均非常一致,验证了计算模型的正确性和实验系统的可靠性。理论和实验结果一致表明,波前畸变对CPP焦斑性能的影响非常严重,当弥散斑为0.5倍CPP焦斑时,畸变量已对CPP焦斑形貌产生了很大影响,能量利用率下降值大于4%,焦斑半径增大超过20μm,陡边阶数下降1.3阶,不均匀性均方根(RMS)值下降6%,旁瓣份额增长超过0.5%。     

高功率光学元件畸变波前位相均方根梯度计算

 根据实际光学元件的畸变波前建立了畸变波前模型，分析了位相均方根梯度计算过程中，三种波前数据处理方式的各自特点及优劣，并得出最佳处理方式，即对波前边缘增添零采样点、加汉宁窗处理、傅里叶变换、低通滤波、傅里叶逆变换、乘上逆汉宁窗，最后截取原始长度的数据。讨论了畸变波前边缘增添零采样点的个数、波前口径、波前抽样间距与均方根误差之间的相互关系。计算证明，对于口径为300 mm×300 mm、抽样间隔为0.5 mm的随机波前，当取截止频率为33 mm^－1、初始波前两边分别添14个点即波前尺寸扩大7 mm长时，其均方根误差最小，此时该值为 0.008 λ，恢复的波前最理想，计算所得的位相均方根梯度也最合理。     

自适应光学系统随机并行梯度下降控制算法实验研究

随机并行梯度下降算法是一种极具应用潜力的自适应光学系统控制算法,具有不依赖波前传感器直接对系统性能指标进行优化的特点。基于32单元变形镜、CCD成像器件等建立自适应光学系统随机并行梯度下降控制算法实验平台。考察算法增益系数和扰动幅度对校正效果和收敛速度的影响,验证随机并行梯度下降算法的基本原理。实验结果表明参量选取合适的情况下,随机并行梯度下降控制算法对静态或慢变化的畸变波前具有较好的校正能力。根据实验结果分析了影响随机并行梯度下降算法校正速度的主要因素。     

连续相位板面形的随机特性研究

根据连续相位板面形分布的随机特性,利用自相关函数和相关长度对其面形特性进行了分析.采用一个高斯型随机分布函数推导了相关长度与连续相位板远场分布之间的解析关系.利用数值算法计算了连续相位板远场分布的方差和能量利用率,并计算了不同的相关长度对连续相位板远场分布的具体影响.结果表明,连续相位板的相关长度越小,远场分布均匀性越好,焦斑形态更加接近于目标焦斑,同时具有较高的能量利用率.     

多频多色光谱角色散束匀滑新方案

典型的光谱角色散技术中,由于光束带宽受限于高效三倍频,因而无法通过增大带宽来进一步改善焦斑均匀性.结合对四色打靶方案和多级相位调制技术的综合分析,提出了多频、多色光谱角色散束匀滑新方案.该方案能在保持高效三倍频基础上,获得带宽有所加宽,光谱包络近似连续的光源,且在远场匀滑上具有更为独特的优势.结果表明,采用束匀滑新方案后,虽然焦斑会有所增大,但其均匀性却得到明显改善;与典型的束匀滑方案相比,该方案能更为有效地抑制热斑,且达到最佳匀滑效果所需的时间有所减短.此外,通过对阵列光栅中子光栅刻线方向的自由组合可以实现多维光谱角色散的效果.     

高功率激光系统随机相位屏的特性研究

 高功率激光系统中随机相位屏的统计模型出发，分析了其相位噪声及梯度的一阶和二阶统计性质。研究了完全相干光与部分相干光通过随机相位屏后的传输性质，推导得出部分相干光在经过随机相位屏后，其交叉谱密度的期望等于随机相位屏透过率函数的期望与入射光交叉谱密度的乘积。对该模型下的远场分布进行了数值模拟。结果显示，能量对称分布的完全相干光通过相位干屏后,只有通过随机相位屏透过率函数期望的远场分布是对称的；部分相干光在传输通过随机相位屏后，其谢尔模光束性质不会改变，但光强分布不再具有对称性，且强度明显降低。     

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.     

大倍率离轴无焦四反光学系统设计

空间引力波探测任务采用的是外差法激光干涉测量技术,其对系统的噪声和精度要求极为苛刻。望远镜是引力波探测天文台的重要组成部分,起到激光信号收发的作用,其光学系统应具备大倍率、高像质、杂光抑制能力强,波前误差一致性好的特点。针对上述要求,对大倍率离轴四反无焦光学系统进行了设计和优化。基于初级像差理论阐述了初始结构的求解方法。系统具有中间像面和可用的实出瞳,便于杂光抑制和与后端科学干涉仪的承接。优化过程中,建立了波前一致性优化函数,通过优化设计,系统入瞳直径为200 mm,放大倍率为40倍,科学视场为±8μrad,波前误差RMS值优于0.005λ,PV值优于0.023λ(λ=1064 nm),波前一致性残差RMS值优于0.0008λ(λ=1064 nm),在捕获视场±200μrad内的成像质量均接近衍射极限,并对系统公差进行了分析,满足引力波探测的应用需求。     

光谱色散后的相位调制光束衍射特性研究

用数值方法研究了激光驱动器系统中使用光谱色散平滑单元后光束的衍射特性.模拟结果表明，光谱色散会使光束衍射光斑变大，近场空间强度均匀性改善，而远场光斑内部存在光强接近于均匀分布的区域.进一步分析了光谱色散平滑单元中相位调制器的调制深度、调制频率及光栅色散系数等主要元件参数对光束传输特性的影响，发现在一定情况下光斑内部会出现较强的强度调制. 关键词： 光谱色散平滑 光束衍射 近场 远场     

温度对潜望式激光通信终端SiC反射镜性能影响

分析了温度梯度和均匀温度对潜望式激光通信终端反射镜形变的影响,利用椭圆域上的Zerni-ke多项式对椭圆反射镜的波前进行拟合,计算由于热形变导致的波前畸变误差,给出了星间激光通信终端反射镜均方根值、发射光束瞄准误差、接收端光强随温度梯度和均匀温度的变化关系。结果表明:温度梯度对反射镜的影响只是引起峰值光强的漂移和少许下降,当温度梯度为14℃/m时瞄准误差达2.1μrad。均匀温度会引起接收端的光强分布变化,从而导致很大的瞄准误差和光强衰减,当均匀温度与参考温度的差值小于0.6℃时,由波前畸变误差引起的瞄准误差小于1μrad,当差值大于0.6℃时,瞄准误差突然增大到几μrad,接收端光强分布发生变化,此时反射镜热形变引起的像散项对光强分布起重要作用。     

非傍轴矢量异常空心光束的传输特性

 将Cai提出的异常空心光束的理论模型推广到非傍轴范畴,推导出非傍轴矢量异常空心光束传输的解析表达式,用以研究它在自由空间中的传输特性。研究表明,异常空心光束在传输过程中光束形状会发生变化。与高斯光束不同,非傍轴异常空心光束傍轴近似成立条件依赖于传输距离,这与异常空心光束光强分布随传输距离的变化有关。非傍轴异常空心光束远场的光束质量可用桶中功率来描述,桶中功率随f参数(波长与束腰宽度的比值)的增大而减小。