大功率条形激光二极管阵列光束整形方法研究

为改善条形大功率LD阵列的光束质量,提高其输出功率密度,使其更利于应用,提出了一种基于非成像光学的光束分割重排的光束整形方案,详细讨论了方案的工作原理和设计方法。对整个方案用Zemax进行了仿真优化并通过计算比较整形前后光束的光束参数乘积分析了光束质量的改善情况。首先采用抛物面反射镜对光束进行准直,并配合反射镜实现按发光区对光束的分割,进一步利用平行六面体棱镜对光束的平移效果完成光束重排,最后在输出端得到了光占空比为1的高亮度的矩形光斑。仿真计算结果表明,整形后光束的快慢轴尺寸相近,光束参数乘积比接近于1,质量均衡;整个光束的能量集中,平均功率明显提高。     

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.     

光斑缺碎情形下光学天线光轴对准实验研究

针对同时存在方位偏移及俯仰误差的情况,提出了一种适用于捕获、对准与跟踪系统的光斑检测方法.分析了破碎光斑与高斯完整光斑的位置误差;解决了当光束存在漂移、入射光束与天线视轴不平行同时存在而四象限探测器无法分别探测的问题.最后实验验证了本文方法的有效性,提高了检测的准确度.     

光斑矩参数阵列测试法的测量不确定度

光斑强度分布的测试在目标跟踪检测、激光光束质量诊断和激光束波前测量等方面具有重要：意义。常用的光斑测试法有面阵CCD法、线阵CCD扫描法、单元探测器扫描法、热敏纸法以及针对某些特殊应用的各具特色的阵列测试设备法。这些方法最终都将给出探测面上光斑强度二维离散分布数据，故都可等效为阵列测试法。     

四象限探测器光斑尺寸测量方法的研究

由于四象限探测器具有低噪声、高灵敏度和高带宽的优势,因此被广泛应用于激光光斑跟踪、准直和位置检测等领域。靶面上的光斑尺寸是影响系统性能的重要参数之一。对探测器的光斑位置探测灵敏度指标Sx进行了分析,比较了象限间沟道大小对Sx的影响关系。提出了一种测量光斑半径的方法,该方法利用电控偏转镜扫描探测器靶面,获得位置探测器灵敏度,基于位置探测灵敏度与光斑半径的对应关系,间接测得光斑尺寸。     

基于旋转双棱镜的光束复合跟踪控制技术

提出一种基于旋转双棱镜的光束复合跟踪技术,用于取代传统伺服转台实现精密的光学跟踪。首先,建立双棱镜的光束偏转模型,详细推导光束偏转矢量与双棱镜转角间的转换关系,并对跟踪过程中的棱镜旋转非线性问题进行了分析。提出基于快速反射镜进行光轴修正的双棱镜光束复合跟踪方法,通过建立偏转光轴与光学基台间的扰动耦合关系,实现了对双棱镜转速的实时补偿,并改进棱镜控制器以提高光束控制性能。搭建实验系统,对旋转双棱镜复合跟踪技术进行验证。在动态跟踪实验中,采用改进控制器的双棱镜的控制精度明显提高,相较于比例-积分-微分控制器和线性自抗扰控制器,所提出的改进控制器使棱镜的控制精度分别提高58.33%和32.81%,并使跟踪误差由改进前的49.03μrad和38.88μrad降低为31.15μrad。开启视轴补偿后跟踪性能进一步提高,总跟踪误差降至7.49μrad,跟踪精度提高4.16倍。实验结果表明,光束复合控制能有效提高双棱镜的跟踪精度,验证了所提方法的有效性。     

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。     

基于角反射镜的气体传感器

介绍了一种由两个角反射镜构成的气体传感器吸收池。利用角反射镜的反射特性和对光束的倾斜不敏感性,提高了吸收池的稳定性和灵敏度。用几何光学方法分析光束的传输特性。提出了探测光在单波长和双波长时的传输方程和系统的测量方程,构建了一种气体浓度检测系统。探测光在吸收池中来回传播的次数N由两个角反射镜的轴间距离决定,差分光吸收光谱(DOAS)的灵敏度与光在池内的传播次数N成正比。在N为3时,电池的检测阈值接近50 ppm     

基于角反射镜的气体传感器（英文）

介绍了一种由两个角反射镜构成的气体传感器吸收池。利用角反射镜的反射特性和对光束的倾斜不敏感性,提高了吸收池的稳定性和灵敏度。用几何光学方法分析光束的传输特性。提出了探测光在单波长和双波长时的传输方程和系统的测量方程,构建了一种气体浓度检测系统。探测光在吸收池中来回传播的次数N由两个角反射镜的轴间距离决定,差分光吸收光谱(DOAS)的灵敏度与光在池内的传播次数N成正比。在N为3时,电池的检测阈值接近50 ppm。     

基于哈特曼法球差自动测量系统的图像处理

从基于哈特曼法自动测量球差所需解决的CCD图像传感和数字图像处理技术出发，提出将哈特曼光阑图像用于存储器中的目标识别与测量时，图像映像区搜索算法和哈特曼光阑图像中测量光斑距离的中心重叠算法，解决了在一维图像存储器中准确寻找二维图像目标，随后进行相关目标计算的技术。其中利用所有光斑的质心求解哈特曼光阑图像的中心,再由光斑质心关于光阑图像中心的对称性确定光斑质心距离的中心重叠算法可减少计算次数，大大降低了算法的时间复杂度和计算复杂度。     

基于光斑二阶矩的阵列光束倾斜相差自适应控制方法

针对阵列光束相干合成中存在的倾斜相差大的问题,提出了基于合成光束远场光斑二阶矩的阵列光束倾斜相差自适应控制方法。以合成光束远场光斑二阶矩作为评价函数,理论上模拟了采用随机并行梯度下降算法实现7路光束的倾斜闭环控制过程。实验上搭建了7路光纤激光相干合成系统,利用自适应光纤准直器对倾斜相差进行校正。以合成光束远场光斑的二阶矩作为评价函数,采用随机并行梯度下降算法,实现了7路光束的倾斜的闭环控制,合成光束模拟远场光斑的桶中功率由0.05 V提升至1.95 V。实验中将倾斜扰动的增益系数变为与二阶矩相关的函数,实现了自适应变增益系数的倾斜闭环,在一定程度上提升了倾斜控制的带宽。从理论上和实验上验证了基于光斑二阶矩的倾斜相差自适应控制方法在光束合成及合成孔径探测领域应用的可行性。     

激光光斑漂移的检测

针对激光光斑漂移设计了一套光斑漂移检测系统。利用该系统实现了对He-Ne激光器出射光束漂移的检测。它采用CCD摄像头和图像采集卡采集激光器输出光斑，通过专门软件对数字图像进行处理，得出光斑漂移的大小；另外，利用几何光学方法得到了激光光束在X方向、Y方向以及空间立体角上的漂移大小。分析了引起光束漂移的原因。结果表明：He-Ne激光器出射光束的指向主要受温度、环境振动、空气扰动和激光器自身结构的影响。该系统能准确地测量出激光器出射光束的漂移大小，实现光束漂移的控制。     

多子光束相干发射小目标探测研究

提出了一种多子光束相干发射方案以提高对远距离小目标的探测能力.将激光器发出的光束等功率地分为若干子光束,在空间按一定的排列平行发射.子光束来自同一激光源,具有很好的相干性,将在目标面上产生干涉.计算结果表明:子光束在目标面上产生干涉主峰,理想情况下,其峰值为单光束直接发射光强的N(N为子光束数目)倍,用此主峰照射目标实现探测;目标越小,此方案相对于直接发射的优势越突出.实际中应适当压缩光束发散角,以增大照射到目标上的总功率.发射镜的位置和角度抖动使目标面上光强闪烁且光斑畸变,为获得稳定、且峰值为单光束直接发射光强N倍的干涉主峰,发射镜的位移控制精度需达到0.1λ(λ为光波长),角度控制精度需达到0.2θ(θ为光束发散角).     

透射式能见度仪LED光源表面特征对能见度测量的影响

从透射仪的光学测量系统出发,理论分析了光学测量系统光源对透射仪探测光束远场光斑特性的影响。结合LED光源的发光原理,研究了LED光源的表面特征,分析了LED光源表面特征与透射仪能见度测量的关系。通过仿真实验证实了光源表面特征对透射仪探测光束准直和能见度测量稳定性产生影响。研究结果表明,LED光源表面特征会影响探测光束远场光斑能量分布,在50 m基线下,使得透射仪探测光束准直中心发生位置偏移25 mm,接收光强最大变化20%,从而影响透射仪发射端对准和能见度测量。通过加扩散片和光阑限制可以明显改善远场光斑特性,远场光斑中心能量分布趋于均匀,在中心区域内接收光强变化在1%以内。     

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.     

一种红外成像制导中的图像分割算法

红外成像制导导弹的图像分割是图像处理中的重点和难点之一。针对飞机目标红外图像的特点,提出了一种有利于目标特征点识别的图像分割算法。它首先采用区域填充的方法对图像进行分割,然后在此基础之上利用形态学原理对分割过程中产生的"洞"区域进行填充,最后得到比较精确的分割图像。对于实现红外成像制导导弹的稳定跟踪具有一定的应用价值。     

高帧频信标光定位与跟踪实验研究

信标光斑准确定位是完成空间光通信跟踪和捕获时的一个重要方法。应用改进的Otsu分割方法,对采集序列图像进行实时处理,提取潜在的信标光斑,对后续图像处理引入感兴趣区域的读入技术,在感兴趣区域内对信标光图像进行处理,应用卡尔曼预测模型实现了信标光跟踪,并将跟踪误差控制在精跟踪视场之内。实验结果表明,改进的Otsu具有更佳的抗噪能力和分割效果,并且实时性和定位精度均获得了满意的结果。     

平面反射镜反射率检测系统研究

为实现在高功率激光装置中对平面反射镜反射率的高精度测量,提出了将双光束分光光度法与VW测量法相结合,利用扩束后的测量光束测量被测元件的反射率.推导了计算公式,搭建了测量光束口径为50mm的检测系统,通过对标准吸收玻璃吸收值的测试验证了系统对光束能量测试的准确性.利用该系统对高功率激光装置使用的反射镜的反射率进行了测量,...     

基于Gires-Tournois谐振腔的二维光学相控阵反射镜

光学相控阵是激光雷达中实现非机械光束偏转的一种技术方案,针对现有光学相控阵存在的尺寸大、二维集成困难等问题,提出了一种可实现二维光束偏转的新型二维光学相控阵反射镜。该反射镜采用易于集成的面阵结构,同时利用Gires-Tournois谐振腔在谐振波长附近的色散特性放大相移。仿真结果表明,该结构在谐振波长附近具有较高的相移效率,为实现二维光束偏转提供了一种新的解决方案。     

电子自旋弛豫时间测量中电子自旋扩散的影响

在光注入电子自旋包的不同位置进行时间分辨的泵浦-探测实验时,发现电子自旋信息的退化率不同.揭示了电子自旋扩散对准确测量电子自旋弛豫时间的影响,获得了自旋输运动力学方程的解.对该解进行研究发现,电子自旋扩散对电子自旋弛豫时间测量值的影响可以归结为两个含时间的因子,其中一个因子与泵浦光斑中心和探测光斑中心的距离有关,另一个因子与泵浦光斑尺寸有关.提出了自旋弛豫时间测量实验中消除扩散影响的条件:1)泵浦光斑和探测光斑中心重叠;2)泵浦光斑尺寸足够大.结果表明,泵浦光斑尺寸越大,探测光斑中心越接近于泵浦光斑的中心,则扩散对自旋弛豫时间测量值所造成的影响就越小.