非高斯畸变对星间光通信瞄准偏差的影响

 提出了一种针对星间激光链路反射式光学天线的非高斯畸变模型,利用该模型研究了波前畸变对系统瞄准偏差的影响,并且与高斯型波前畸变所得结果进行了对比。理论分析和仿真结果表明：对于高斯型和非高斯型畸变,系统的瞄准偏差都会随着畸变范围的增大而增大,随着畸变位置相对光束中心距离的增大先增大后减小。当畸变形状可以用其平均变化量来近似时,随着畸变深度的变化,瞄准偏差呈周期性变化趋势,振荡周期峰值的包络与畸变形状有关;对于不能简单用均值变化量代替其形状的畸变,随着畸变深度的增加,瞄准偏差的变化不具有周期性。仿真结果显示:对口径为0.25 m的反射式光学天线,当遮挡比为0.1时,如果畸变范围超过0.01 m×0.01 m,系统将会产生比较明显的瞄准偏差。     

高功率激光装置中局部波前畸变的非线性传输

 根据高功率激光装置中强激光束传输的特点,建立了描述光束通过光学元件时引入的局部波前畸变模型,并利用纹波传输的线性化处理方法,研究了带有局部波前畸变的高强度光束的传输规律。以一个连续的非增益激光介质为例,用该模型进行数值模拟,给出了不同空间尺度的局部波前畸变的频谱分布、不同空间频率的纹波引起的振幅非线性增长曲线、不同B积分的非线性增益随光束传输距离的变化曲线,光束振幅非线性增益达到最大时光束的传输距离和标准传输距离不同时由局部波前畸变引入的振幅分布。研究表明为了防止光学元件损坏,应避免光学元件表面出现半径为0.5~2.0 mm的局部瑕疵。     

可消除光场畸变的物面平移横向剪切数字全息

提出了一种可根本消除各种光场畸变的横向剪切数字全息方法,采用三幅物面相互存在微小平移的数字全息图,通过波前差分来消除照明光和参考光引入的相位畸变,用横向剪切波前重构算法恢复待测物面三维数据。设计了一个反射式实验检测光路,光路中人为引进未知的波前畸变对该算法进行了实验验证。结果表明,在没有对物面和CCD记录面做严格方位校准,横向平移精度为0.01 mm,平移量为0.02 mm的条件下,标准相位的均方根误差约为λ14,分析了其误差来源,可用于超精密光学三维测量,有望减小光场畸变提高测量精度。     

基于轴锥镜对的高光能利用率激光通信天线性能分析

提出一种增加轴锥镜对的同轴反射式光学结构激光发射天线方案,通过对入射光束的光强重新排布,降低同轴反射式结构固有的中心遮拦造成的能量损失,提高光能利用率.运用衍射光学原理分析并模拟了单色高斯光束经过轴锥镜对后传播至天线光阑平面处的光场分布,比较了普通同轴反射式天线和高光能利用率天线在不同入射光束腰半径、不同线遮拦比下的发射光能利用率.结果表明:高光能利用率天线在线遮拦比0.1和0.25的情况下,通过合理调整入射光束腰大小,光能利用率分别可达到99%和96%以上,远高于传统的同轴反射式天线.分析了高光能利用率天线发射光束的远场光强分布,发现其进入接收天线口径内的光场可近似为平顶分布.     

畸变波前相位校正效果分析

 以随机相位屏构造波前畸变相位,运用高通滤波的方法模拟变形镜对光束波前畸变相位的校正作用,模拟分析了畸变波前的相位校正效果,定量分析了校正效果与低频相位畸变和高频相位畸变之间的关系,并进一步讨论了变形镜的校正位置对校正效果的影响。研究结果表明:对于给定单元尺寸的变形镜,随着畸变波前中高频相位畸变所占比例的增大,经校正后的远场光束质量明显降低,校正效果也越来越差。此外,光学变形镜所在位置对校正效果存在明显影响,校正效果随校正位置的变化呈现出起伏变化。     

低空间频率组合计算全息元件检测深度非球面

计算全息元件(CGH)可实现光学非球面的零位干涉高精度检测,但深度非球面的非球面度以及非球面度梯度均较大,使检测所需CGH的局部空间频率偏大,加工困难。提出一种用组合CGH检测深度非球面的方法,该方法通过组合两个低空间频率CGH,实现深度非球面检测时所需的单个高空间频率CGH的功能。由一维线性光栅模型推导组合CGH与传统单个CGH空间频率的关系,并由此给出组合CGH初始相位,逐步优化可求得最佳相位。以最大非球面度193.434μm、最大非球面度梯度75.788μm/mm的深度非球面为测试样例,设计了单个CGH和组合CGH,残留波前误差均小于λ/250,组合CGH最大空间频率约为单个CGH的50%。设计了辅助装调CGH减小装调误差的影响,并分析了组合CGH之间俯仰倾斜偏差、中心偏差以及轴向定位偏差对检测精度的影响。     

大幅面气动光学波前畸变场测量与重构EI北大核心CSCD

各类高速飞行器所装备的光电成像探测与侦察系统、光电跟踪瞄准系统、定向能攻击武器和光通讯系统,都需要开展气动光学波前畸变场测量与校正技术研究。为此,提出大幅面气动光学波前畸变场测量与重构方法,将光束偏折位移场测量值转化为光束从摄影中心出发穿过扰流区到人工点的光程差,并研究了Zernike多项式阶数与波前畸变重构精度的关系。2m超声速风洞中某跨大气层飞行器模型实验结果表明:该方法可以定量测量波前畸变场,测得机头与机翼的斜激波所致的波前畸变结构正确。该方法光路简单、无需使用价格昂贵的相干光源,为气动光学效应的测试及校正技术的研究提供了新途径。     

温度对空间光-单模光纤耦合的影响研究

环境的温度是影响运行于轨道中的光学天线系统性能的主要因素。当温度变化时,透镜和反射镜的曲率和镜组间隔会产生相应的变化,从而导致空间光-单模光纤耦合效率的下降。假设温度只改变天线系统焦距,而不改变光束成像质量,针对反射式光学天线,建立了温度影响空间光-单模光纤耦合效率的理论模型,并对其进行了理论仿真和实验研究。结果表明:实验和仿真结果相吻合,相对于理想情况下(离焦量为零),当温差增大2℃时,离焦量增大约52μm,耦合效率下降约10%。此研究结果可为光学天线温控精度的提出提供理论依据。     

大口径超薄镜面对畸变波前的补偿

针对低频波前对光束质量的影响,优化设计了一个口径为300mm、半径与厚度比为20的薄型光学镜面,被用来对低频随机畸变波前进行补偿,并详细分析了补偿前后的光束质量变化。结果表明:无论是低频随机相位空间尺度参数变化,还是低频相位振幅参数发生改变,低频畸变经过补偿后,畸变波前明显变小,相位梯度在整个空间周期内都降低,远场强度的峰值增加,能量更集中,且能量集中度最高提高约50%。     

波前曲率传感自适应光学两种闭环控制方法的对比

针对波前曲率传感自适应光学,对比分析了直接拟合法和拉普拉斯算子本征模式法两种闭环控制方法。简要分析了两种方法的基本原理,并建立了36单元曲率型自适应光学仿真模型,进行了大气湍流波前畸变闭环校正数值仿真。结果表明,与直接拟合法相比,存在最佳模式数量使得拉普拉斯算子本征模式法具有更高的稳定性和精度;尤其是当波前畸变较大时,直接拟合法的稳定性和校正精度明显变差。     

Effects of localized deformation induced by reflector antenna on received power

Based on Gaussian model for reflector antenna, the effects of localized wave-front deformation on received power are researched. It is shown that the received power depends on the deepness h, the radius a, and the distance d of the Gaussian distortion and changes regularly as they increase. Localized deformation has the greatest influence on the received power at the deepness of h ≈ 0.38λ, which does not depend on other distortion parameters. To reduce the impact of localized deformation on the received power, the machining precision of mirrors should be much better than 0.38λ. The maximum power penalty due to the localized distortion with different radii a is given. We hope the results can be used in the design of inter-satellite laser communication systems.     

Mutual alignment errors due to localized distortion in free-space laser communication links

Instead of Zernike polynomials, truncated Gaussian function is proposed to express localized wave-front deformation in studying mutual alignment errors in free-space laser communication links, which simplifies the calculation. Mutual alignment errors include pointing and tracking errors which depend on transmitting and receiving optical system, respectively. It is shown that both pointing and tracking errors depend on three parameters (the center value A, the radius a and the distance d) of Gaussian localized distortion and change regularly as they increase. The maximum pointing and tracking errors always appear around A = 0.4λ (rms = π). Moreover, pointing error is more sensitive to localized wave-front deformation than tracking error. Beam truncation ratio has great influence on pointing error, and obscuration ratio has less influence on pointing and tracking errors except that antenna secondary mirror shelters parts of the localized deformation. To reduce the influence of localized aberrations, the principles how to choose the optical devices with large aperture are given, and a method that aligns the pointing direction to compensate pointing and tracking errors is suggested. The work will contribute to the design of free-space laser communication systems.     

Received power analysis due to antenna deformation based on wavelet in inter-satellite laser communication links

Arbitrary deformation of optical antenna caused by processing technique and complex outer-space environment in inter-satellite laser communications can degrade the performance of the system. It is crucial to study the influence of deformation on the high precision system. Wavelet expression is proposed in the paper for diversified distortions. The influence on received power is investigated with the consideration of location, scale and depth of the deformation. Theoretical and numerical analysis show that the distortion attenuation factor increases with scale factor; with the location of the deformation shift from the center to the edge of the antenna, the distortion attenuation factor will increase till the whole deformation is away from the shelter of the secondary mirror, and then decrease; with the linear increase of depth, when the pattern of deformation can be well approximated by a constant value, the distortion attenuation factor will fluctuate periodically, or there will be no obvious variation regularity between them. It is hoped the study can help the optical devices selection and system compensation.     

角量控制的激光天线设计

在多环检测系统理论的基础[4,5]上,通过对激光天线单镜和双反射镜的高斯光束的传播规律和双镜距控制光斑稳定不变的实验数据[1,2],来进行激光天线的设计。设计采用了高斯光束控制入射光束的光腰位置,对天线副镜和主镜的入射角、反射角和天线发散角的控制方法,设计了天线的副镜和主镜的曲率半径、焦距和直径,达到了光斑保持的目的。计算公式简单,使用方便,计算公式和实验测定的数据误差在工程设计要求的范围以内,适合工程设计的需要。     

银纳米圆盘光天线的远场方向性研究

采用时域有限差分方法计算了银纳米圆盘光天线模型的场分布,研究了光偶极天线的远场辐射特性随距离和厚度、半径变化的规律以及影响其远场方向性的因素.研究发现,偶极子垂直放置在银纳米圆盘下方一定距离时,银盘厚度和半径的改变均可使方向性图中出现新的辐射模式,同时方向性增益得到增强.通过对其近场的观察和分析可以得知,新的辐射模式的产生来源于高阶模式的局域表面等离激元.结果表明,背景材料为GaN时,产生高阶模式局域表面等离激元的合适条件为电偶极子距银盘底部40nm.另外,为了有效地支持高阶模式局域表面等离激元的形成,银盘厚度与半径最小分别为30nm和100nm.本文的研究对掌握纳米银盘结构的光天线特性及其在光器件中的运用有重要意义.     

Strehl ratio versus localized distortion in reflectors in lasercom

In intersatellite laser communication (lasercom), the Strehl ratio (SR) is usually used to characterize the transmitter-beam quality. We study its dependence on localized distortion in reflectors based on the Gaussian model. We show that the transmitter-beam quality depends on three parameters of localized distortion and changes regularly with their increase. Localized distortion in reflectors influences the beam quality near the depth of 0.4 λ, which does not depend on other distortion parameters. To reduce the impact of localized deformation on the beam quality, we use the peak-to-valley (PV) value to evaluate the machining precision of mirrors and show that it should be much better than 0.8 λ. The results obtained can be used in designing intersatellite laser-communication systems.     

银纳米圆盘光天线的远场方向性研究

采用时域有限差分方法计算了银纳米圆盘光天线模型的场分布,研究了光偶极天线的远场辐射特性随距离和厚度、半径变化的规律以及影响其远场方向性的因素. 研究发现,偶极子垂直放置在银纳米圆盘下方一定距离时,银盘厚度和半径的改变均可使方向性图中出现新的辐射模式,同时方向性增益得到增强.通过对其近场的观察和分析可以得知,新的辐射模式的产生来源于高阶模式的局域表面等离激元. 结果表明,背景材料为GaN时,产生高阶模式局域表面等离激元的合适条件为电偶极子距银盘底部40 nm. 另外,为了有效地支持高阶模式局域表面等离激元的形成,银盘厚度与半径最小分别为30 nm和100 nm. 本文的研究对掌握纳米银盘结构的光天线特性及其在光器件中的运用有重要意义.     

移动特征靶标的摄像机径向畸变标定

针对成像测量系统中镜头径向畸变影响测量精度的问题,提出了一种基于物面移动同心圆特征靶标的径向畸变标定方法。该方法先将固定在二维精密平台上的同心圆靶标置于垂直物面的特定位置,然后采集靶标图像,同时用最小二乘法以拟合得到的圆直径为条件,按一定方式移动特征靶标,直到拟合值达到极值或者在一定误差范围内。记录该幅图像,则其拟合得到的圆心坐标便是畸变中心,同时利用该幅图像,根据等差值半径和摄像机成像模型的半径的成像关系求出其畸变多项式系数。为提高特征靶标的移动效率,提出了坐标轮换最优化移动的方案。实验结果表明,该方法对畸变中心的标定精度可达0.6pixel,畸变多项式系数有效数字重复误差小于0.02,并可实现两者的一靶标定,且利用该法获得的参数能实现对畸变图像的准确校正。