傅里叶望远术中天线阵列配置对成像质量的影响

 对傅里叶望远术系统进行了多个目标的成像过程模拟,针对不同配置的T型等间距天线阵列,利用Strehl值作为判据对系统成像质量进行分析。计算和重建结果表明：T型三等臂天线阵列采集到的目标频谱分布在水平和竖直方向的均衡性最优,重建像及Strehl值对各种目标均较好;在此三等臂结构下,设置单臂天线个数为3~18,对多个目标进行重建,由重建像及其Strehl值分布曲线的分析可见,单臂天线个数小于等于10时,天线数的增加将明显提高重建图像的质量和可识别性;单臂天线个数接近10时,重建的目标像已具备较好的可识别性;单臂天线个数大于10后,天线总数增加对提高目标可识别性作用有限。     

大气闪烁对自适应光学校正的影响

 激光在大气湍流中长距离近水平传输时，闪烁加强，限制了常规自适应光学的校正能力。数值研究了大气闪烁对自适应光学校正的影响，拟合得到了在Fresnel数一定时，Strehl比与Rytov方差的表达式，以及Rytov方差一定时，Strehl比与Fresnel数的表达式。结果表明，在Rytov方差较小时，纯相位校正Ｓtrehl比只与Rytov方差有关；随着Rytov方差的增加，Strehl比不仅与Rytov方差有关，还与Fresnel数有关，Fresnel数越大，校正Strehl比越大；大发射和接收孔径有利于提高校正Strehl比；在一定的Rytov方差下，Stregl比随Fresnel数增大而增加，逐步趋于饱和，达到纯相位校正的极限。     

高能激光大气传输的仿真实验研究

 对高能激光在大气中传输时产生的热晕效应及其相位补偿进行了室内仿真实验测量,获得了自适应光学系统开闭环时用来衡量光束传输效果参量（如远场的光斑图像、质心漂移、二阶矩半径、及Strehl比等）。结果表明,Bradley-Hermann热畸变参数在300范围内,自适应光学系统相位补偿效果显著,Strehl比基本大于0.4。然而随着热畸变效应的进一步加强,出现相位补偿不稳定性现象,补偿效果变差。另外,对自适应光学系统开闭环时的实验结果分别与薄透镜近似分析理论及几何光学近似理论作了比较。比较结果表明:薄透镜近似理论与未补偿时的实验结果吻合较好,而几何光学近似理论与补偿后的实验结果存在较大的偏差。     

Repetition rate increase and diffraction-limited focal spots for a nonthermal-equilibrium 100-TW Nd:glass laser chain by use of adaptive optics

Dynamic wave-front correction is applied before each shot on a 100-TW, 30-J/300-fs high-power laser facility by use of an adaptive-optics system. This system allows us to increase the repetition rate of high-energy lasers while maintaining excellent and constant beam focusability with a Strehl ratio of >0.75 despite the amplifiers' not being in thermal equilibrium. The best results in terms of the highest Strehl ratio and intensities are obtained when locking the system on wave-front sensing after pulse recompression.     

像差与斯特列耳比的极限曲线

通过建立离散波面像差函数与斯特列耳比的最优化问题数学模型 ,分析了二者的关系 ,利用最优化方法数值求解得到波面像差峰谷值与斯特列耳比最小值以及波面像差均方根值与斯特列耳比最小值的极限曲线     

The Optical Design of Relay Optics for Heterodyne Millimeter Wave Focal Plane Arrays

Since the use of focal plane arrays on millimeter and sub-millimeter telescopes has become more and more important during the last years, it has also become evident the need of optimized auxiliary optics that would efficiently couple the telescope to the receiver over large fields of view (i.e., 5-10 beams). In this work we systematically analyze several relay optics configurations for heterodyne focal plane arrays, all based on the Gaussian beam telescope concept. Because in examining the image performance of auxiliary optics design at millimeter wavelengths one cannot follow the usual image quality criteria, we analyze the designs using both the Strehl ratio and the coupling efficiency to evaluate the quality of the off-axis wave-fronts and the loss in the power coupling with the horn. Coupling efficiency and Strehl ratio cannot be included in the optimization procedures of commercial optical modelling packages and we thus describe how to optimize the design using a customized algorithm. We show that the minimization of the appropriate error function can reduce the anamorphism of the exit pupil and reduce the loss in the horn coupling.     

三区位相型三维超分辨光瞳滤波器的优化设计

用Matlab优化工具箱,采用非线性规划,对三区位相型(π-0-π型)光瞳滤波器进行了优化设计。结果显示,所设计的滤波器较好地实现了横向和轴向的三维超分辨,且轴向超分辨能力优于横向。该滤波器结构简单,容易实现。     

Performance of a phase-conjugate engine implementing a finite-bit phase correction

The achievable Strehl ratio when a finite-bit correction to an aberrated wave front is implemented is examined. The phase-conjugate engine used to measure the aberrated wave front consists of a quadrature interferometric wave-front sensor, a liquid-crystal spatial light modulator, and computer hardware-software to calculate and apply the correction. A finite-bit approximation to the conjugate phase is calculated and applied to the spatial light modulator to remove the aberrations from the optical beam. The experimentally determined Strehl ratio of the corrected beam is compared with analytical expressions for the expected Strehl ratio and shown to be in good agreement with those predictions.     

三维超分辨光瞳滤波器的优化设计

利用matlab优化工具箱,采用非线性规划,对三区振幅型(透过率为1-0-1)和三区位相型(相位角为π-0-π)光瞳滤波器进行三维超分辨优化设计,建立了优化模型,经计算机多次迭代运算,改变斯特尔比s值,给出了优化结果.结果显示:所设计的滤波器较好地实现了横向和轴向三维超分辨,且轴向超分辨能力优于横向;相同斯特尔比下,位相型三维超分辨能力优于振幅型,并且这两种滤波器结构简单,容易实现.     

强湍流区的自适应光学适用性

从调制传递函数的观点出发,考虑振幅起伏相关性的影响,导出了在强湍流区自适应光学技术补偿光束畸变的斯特列尔比及补偿效率理论表达式。理论预计与实验结果相符。并且,对不要求完全补偿的情形,自适应光学在强湍流区也是适用的。     

基于Zernike模式的随机并行梯度下降算法的收敛速率

为了加快控制变形镜进行波前整形的随机并行梯度下降（SPGD）算法的收敛速率,提高实时波前整形能力,本文利用由12阶Zernike多项式构成的畸变波前和32单元变形镜建立了仿真模型。基于Zernike多项式的单位正交性,得到了两个常数矩阵,当斯特列尔比（SR）达到0.8时,需要算法迭代660次,简化了算法的运算过程,加快了算法运行时间。通过Matlab7.8.0对6种SPGD算法进行仿真对比,结果显示：当SR要求不高时,可使用间接固定双边SPGD算法来提高收敛速度;当SR要求较高时,则应当使用间接自动双边SPGD算法。提出的算法为实际的激光整形提供了理论指导。     

粗糙波面中心点亮度比像质评价准则

建立了兼含粗糙与波面像差影响的中心点亮度比公式及其像质评价准则，根据粗糙波面中心点亮度比的大小，把像质标准划分为“极佳”“良好”和“不理想”等三个等级，粗糙度公差范围为λ／２０～λ／８０。     

海洋湍流中自适应光学成像系统特征参量研究

随着水下光通信、传感和激光雷达等应用的发展,研究水下光学系统成像特性具有重要意义.本文研究了海洋湍流对自适应光学成像系统特征参量(如Strehl比、Greenwood时间常数和等晕角)的影响.推导出了海洋湍流中短曝光成像Strehl比的近似解析表达式,并证明:除了在近场D_G/r_0=1附近外(D_G和r_0分别为光学系统的光瞳直径和海洋湍流中可见参数),该近似公式均可保证足够的精度.此外,还得到了海洋湍流中Greenwood时间常数和等晕角的表达式.研究表明:随着海水盐度变化引起的海洋湍流逐渐占主导地位时,这三个特征参量值均减小;随着海水湍流动能耗散率的减小或海水湍流温度方差耗散率的增大,这三个特征参量值也均减小.本文研究结果对工作于水下湍流环境中自适应光学成像系统应用具有理论参考意义.     

一种基于并行化方法的自适应光学闭环预测控制器

自适应光学系统的性能受限于伺服系统的延迟误差和波前传感器的光电子噪声。提出了一种多模型单变量预测模型,该模型采用基于Levenberg-Marquardt学习算法的前馈型神经网络。利用计算机多核处理器,设计了一个具有并行处理能力的预测控制器,来实现对自适应光学闭环控制电压的预测,以消除延迟误差的影响。通过数值仿真实验,研究了预测控制器对控制电压和远场斯特雷尔比的影响,与未采用预测控制器的系统进行了比较,并对预测算法的并行性能进行了分析。实验结果表明,使用并行化方法的预测控制器可以有效缩短系统的预测时间,提高预测算法的加速比,与经典比例积分(PI)控制算法相比可以更有效地降低系统由于伺服延迟引起的误差,远场的斯特雷尔比有明显地提高。     

基于空间滤波的光纤激光被动相位锁定技术研究

基于空间滤波的被动相位锁定,对掺Yb光纤激光阵列的相干组束进行了理论和实验研究.分析了基于空间滤波光反馈相位锁定的原理,研究了远场相干光斑Strehl比与激光波长及光谱带宽的关系.建立了二维四路掺Yb光纤放大器阵列的被动相位锁定实验系统,实现了稳定的相干耦合激光输出,远场光斑Strehl比为0.77.测得输出激光光谱中单个纵模的带宽约为9.1 GHz,与理论计算符合较好. 关键词： 光纤激光 相干合成 环形腔     

卡塞格林望远系统与激光束参数匹配

 在激光工程系统中,把卡塞格林望远系统等效为一个扩束器和环形光阑的组合形式,研究了激光束的光腰半径与卡塞格林望远系统的参数匹配问题。推导出光束扩束后通过环形光阑衍射的场分布解析表达式,并由此数值计算了由环形光阑引起的能量损失,以及光束扩束后光腰半径与环形光阑外径的比值K对Strehl比的影响。结果表明,在卡塞格林望远系统参数确定的条件下,存在最佳比值K,使损失能量最小,并可以获得较高的Strehl比,得到最大的峰值光强。     

高功率超短脉冲激光的远场描述方法

 以随机统计和数值模拟为研究手段，对高功率超短脉冲激光的远场描述方法进行了分析研究。结果表明：对理想超高斯光束，半高全宽内包含的能量百分数最大不超过70%，且随着阶数增大而逐渐降低。在光束质量较好时，远场焦斑的半高全宽基本保持不变。由焦斑的半高全宽计算得到的聚焦功率密度，与半高全宽之间没有明确的关系，但与Strehl比以及半高全宽内包含的能量之间具有明确的线性增长关系。对追求高的功率密度的激光脉冲，单纯用半高全宽或者几倍的衍射极限来描述远场是远远不够的，用Strehl比或者半高全宽内包含的能量百分数来表征功率密度更为恰当。     

消色差相位型超分辨光瞳滤波器的设计研究

提出并设计了一种消色差的相位型超分辨光瞳滤波器。详细分析了滤波器的设计参数对成像系统的光斑压缩比和斯特雷尔比影响。分别以方解石晶体和石英玻璃材料为例进行了设计,当光斑压缩比为0.83时,得到两种材料的消色差超分辨光瞳滤波器,可以分别在380～555nm和300～600nm的波长范围内实现消色差,同时可以有较高的斯特雷尔比。     

由Strehl比判断光学系统实际分辨能力

提出了一个根据Ｓｔｒｅｈｌ 比评价光学系统实际分辨能力的近似方法。用高斯分布函数逼近点光源在光学系统焦面上的像斑光强分布,根据瑞利判据,导出了光学系统分辨能力与Ｓｔｒｅｈｌ 比的关系方程。它可根据系统的Ｓｔｒｅｈｌ 比来判定像面上的两个像斑能否分辨开来。     

Phase filter design for sharper focus of radially polarized beam

Based on vector diffraction theory, a phase-only filter with cosine function is proposed and a sharper focal spot of radially polarized beam is obtained on the focal plane. The function parameters of the filter are optimized and a series of optimized filters for different Strehl ratio S are given. The optimization results show that there is a significant improvement on obtaining sharper focal spot with this new type of filter. Compared with other results, this type of filters has superior supperresolution effect and higher energy utilization ratio. The numerical calculation results about the phase filter may facilitate new approaches to get superresolution.