飞行器外流场对光传输的影响

针对细光束在飞行器外流场中传输受流场影响的问题,发展了光波标量衍射方程和气体运动的完全可压缩Navier-Stokes方程耦合的方法,并结合长度加权插值技术,对光束在飞行器定常外流场中传输的情形进行了数值仿真分析.结果表明,通过飞行器外流场的光束会发生偏转和离焦,为保证飞行器上光学装置的正常工作,须考虑必要的调校或补偿.     

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O431 2006043797飞行器外流场对光传输的影响=Influence on laser propa-gation of aero-craft's outer fluid field[刊,中]/柳建(中科院光电技术所.四川,成都(610209)) ,李树民…∥光子学报.—2006 ,35(4) .—599-602针对细光束在飞行器外流场中传输受流场影响的问题,发展了光波标量衍射方程和气体运动的完全可压缩Navier-Stokes方程耦合的方法,并结合长度加权插值技术,对光束在飞行器定常外流场中传输的情形进行了数值仿真分析。结果表明,通过飞行器外流场的光束会发生偏转和离焦,为保证飞行器上光学装置的正常工作,须考虑必要的调校或…     

沿Z型光传输管道轴向吹气对激光传输的影响

针对在Z型管道中传输的高能量密度激光束受到的气体热效应问题,采用光波标量衍射方程计算光传输、N-S方程计算管道内流场,仿真计算了以不同的速度沿管道轴向吹入对激光能量无吸收的气体时,由于气流扰动对出射光束远场光斑质量的影响。结果表明,在采用纵向吹气减小气体热效应对光束传输的影响时,应尽可能采用大气量、低流速的方案,既有利于排空管道中的杂质气体,减小气体热效应,又有利于减小管道中流场密度分布的不均匀性,从而保证出射光束的质量。     

光栅角色散和制作误差对谱合成光束特性的影响

 考虑光束的发散、光栅角色散以及光栅制作过程中存在的刻槽倾角误差,应用光线追迹方法,建立了激光束入射到光栅时相位变化的计算模型。利用衍射积分方法和光束非相干叠加原理,推导出阵列光源各子光束经谱合成系统后合成光束的光强分布解析表达式。在此基础上,利用强度二阶矩方法,计算了合成光束的M²因子,并定量分析了光栅角色散和光栅刻槽倾角误差对谱合成光束特性的影响。研究结果表明:光栅角色散和光栅刻槽倾角误差的存在均会导致谱合成光束的光束质量变差,光栅刻槽倾角误差的影响比光栅角色散的影响更为明显。     

利用激光散斑测量透明材料的折射率

提出了通过利用激光散斑测量光束横向位移量来测量透明材料折射率的方法.光线在被测材料表面的入射角为0°和3°的条件下,分别记录被测材料在不同厚度时的二次曝光散斑图像;在其功率谱的逆傅里叶变换光场中存在3个自相关强度分布,通过测量相邻2个自相关峰峰值点的间距,即可计算出在该材料厚度不同时所引入的光束横向位移量.再根据光束横...     

光纤耦合激光束输出光空间分布及其影响因素分析

通过分析光纤出射端面的光强分布,研究了光纤传输过程中激光二极管出射光束进入光纤时的指向角对出射端面光场分布的影响.提出一种影响光纤输出端光场的新因素,对数值孔径和光纤芯径两个影响因素进行了补充.在光纤传输过程中,将激光二极管出射的光束等效为大量光线,在二极管输出光的位置以及空间分布确定的情况下,使用光线追迹方法依次分析...     

光纤耦合激光束输出光空间分布及其影响因素分析

通过分析光纤出射端面的光强分布,研究了光纤传输过程中激光二极管出射光束进入光纤时的指向角对出射端面光场分布的影响.提出一种影响光纤输出端光场的新因素,对数值孔径和光纤芯径两个影响因素进行了补充.在光纤传输过程中,将激光二极管出射的光束等效为大量光线,在二极管输出光的位置以及空间分布确定的情况下,使用光线追迹方法依次分析了单束和多束光的指向角以及光纤长度对出射面光强分布的影响.结果显示:单束入射光指向角的偏差会引起光纤输出端面光强极值位置的偏移,多束的情况可以导致光纤输出端光强呈现明显的环状分布,得出了入射光束指向角的偏差是影响光纤出射面光强分布和峰值位置的重要因素的结论,而光纤长度的变化对上述分布状况同样存在影响.     

平顶高斯光束经含失调圆孔光阑的失调光学系统的传输特性

为分析平顶高斯光束通过光学系统传输时圆孔光阑失调和光学元件失调对平顶高斯光束传输特性的影响,利用失调圆孔光阑的近似展开式和适用于失调光学系统的广义衍射公式,得出了平顶高斯光束经含失调圆孔光阑的失调光学系统传输的近似解析式,给出了输出光束场分布与光束参量、光阑孔径尺寸、光阑和光学元件失调量等的定量关系.针对特定光学系统定量分析了各失调量对输出光束场分布的影响,结果表明各元件失调都对输出光束强度分布产生较大影响.但在各失调量较小的情况下,透镜失调对输出光束传输特性的影响比光阑失调对输出光束传输特性的影响更明显.     

恒偏向高分辨率变束棱镜光谱仪

现有的各种棱镜光谱仪器中,色散分光棱镜都采用等腰或等边棱镜(简称三棱镜),棱镜顶角一般为58-63°.这种棱镜都工作于最小偏向角状态,这时光线的出射角等于入射角,棱镜内的光线平行于底边,而出射光束宽度显然等于入射光束宽度,即两侧光束是对称的.当旋转棱镜时,满足上述条件波长的单色光即被分离出来.这就是单色仪的工作原理.对于摄谱仪器,只有一个波长工作于最小偏向角,其他则近似工作于最小偏向角,但其出射光束宽度仍等于成近似等于入射光束宽度.我们把这种等束工作的棱镜称作“等束棱镜”.至今,所有棱镜光谱仪器中的分光棱镜,均是这种棱…     

平顶高斯光束经含失调圆孔光阑的失调光学系统的传输特性

为分析平顶高斯光束通过光学系统传输时圆孔光阑失调和光学元件失调对平顶高斯光束传输特性的影响,利用失调圆孔光阑的近似展开式和适用于失调光学系统的广义衍射公式,得出了平顶高斯光束经含失调圆孔光阑的失调光学系统传输的近似解析式,给出了输出光束场分布与光束参量、光阑孔径尺寸、光阑和光学元件失调量等的定量关系.针对特定光学系统定量分析了各失调量对输出光束场分布的影响,结果表明各元件失调都对输出光束强度分布产生较大影响.但在各失调量较小的情况下,透镜失调对输出光束传输特性的影响比光阑失调对输出光束传输特性的影响更明显.     

衍射现象对高精度偏转器设计的影响

基于波动光学理论,计算了由衍射、球差和色差三者共同作用的电子束斑电流分布,得到了电子束斑的精确信息和电子束曝光机的轴上分辨率。针对某一个具体系统的不同电子束孔径角,以偏转器的位置和相互转角为变量进行了偏转系统的优化设计;综合考虑了电子光学系统的衍射、轴上像差和偏转像差三者与光阑孔径角的不同关系。得到了光柱体的最佳总体性能,保证了电子束曝光机的高分辨率和均匀性。     

非均匀光斑导致相变镜镜面偏转的研究

 针对高功率激光器中非均匀光斑热致变形导致光轴偏转的问题，提出用相变致冷镜作为腔镜来减小镜面变形峰谷值和角向偏转，在2kW连续二氧化碳激光器上进行了热变形和光束漂移实验。实验表明，与普通实心硅镜相比，相变致冷镜镜面温度分布更均匀，可有效地减小镜面偏转角和光斑中心漂移，提高远场光束质量。     

小入射角条件下气动光学成像偏移

针对超声速飞行器在大气中飞行时由于气动光学效应产生的成像偏移,推导了光线偏折角和流场折射率梯度之间的关系,给出了小入射角情况下,离散折射率场光线偏折角的一种计算方法;利用不同流场的计算流体力学数据计算出对应的折射率场;使用光线追迹法得到光线通过不同流场后的偏折角和传播路径上的折射率梯度分布。仿真结果表明,新的偏折角计算方法所得结果在入射角小于30°时与Runge-Kutta和Snell光线追迹法具有很好的一致性;同一高度下小入射角时,光线的偏折角并不随着飞行速度的增加而增加,而是基本保持稳定;光线通过流场的偏折是正负折射率梯度区域共同作用的结果,负的折射率梯度区域可以减少光线偏折,起到部分"校正"作用。     

基于空间光调制器的光束大角度扫描技术研究

为实现一束激光在90°锥形范围内的扫描,利用液晶空间光调制器在光束偏转控制时精度高、无机械惯性等优点,研究并建立了基于液晶空间光调制器的光束偏转和角放大光路系统。提出了空间光调制器的可编程相位调制算法和角放大光路结构,推导了空间光调制器光束偏转角度与相位灰度驱动图的关系,设计了角度放大倍率高于22倍的角放大光路系统。在此基础上,建立了光束扫描控制实验系统,对该装置角度出射范围进行了测量,将实际的角放大倍率与设计值进行对比。实验结果表明:研制系统的出射视场角可达91.22°,并可通过畸变校正实现出射视场角范围内的规则形状扫描。该研究在光束敏捷控制、无线激光通信、目标搜索与追踪等领域具有重要的研究价值和应用前景。     

Design of three-dimensional imaging lidar optical system for large field of view scanning

Three-dimensional (3D) lidar has been widely used in various fields. The MEMS scanning system is one of its most important components, while the limitation of scanning angle is the main obstacle to improve the demerit for its application in various fields. In this paper, a folded large field of view scanning optical system is proposed. The structure and parameters of the system are determined by theoretical derivation of ray tracing. The optical design software Zemax is used to design the system. After optimization, the final structure performs well in collimation and beam expansion. The results show that the scan angle can be expanded from ±5° to ±26.5°, and finally the parallel light scanning is realized. The spot diagram at a distance of 100 mm from the exit surface shows that the maximum radius of the spot is 0.506 mm with a uniformly distributed spot. The maximum radius of the spot at 100 m is 19 cm, and the diffusion angle is less than 2 mrad. The energy concentration in the spot range is greater than 90% with a high system energy concentration, and the parallelism is good. This design overcomes the shortcoming of the small mechanical scanning angle of the MEMS lidar, and has good performance in collimation and beam expansion. It provides a design method for large-scale application of MEMS lidar.     

Irradiance-moments characterization of off-axis Gaussian beam combinations by means of the Wigner distribution function

The irradiance-moments characterization of off-axis Gaussian beam combinations is presented in use of the Wigner distribution function (WDF). Analytical expressions for the propagation through an optical paraxial ABCD system, beam propagation factor (M² factor), beam width, far field divergence angle and kurtosis parameter of the resultant beam are derived and illustrated with specific numerical examples. It is reexamined that a flat-topped irradiance profile of the resultant beam can be achieved at a certain plane by appropriately choosing beamlet parameters. As compared with previous work, our results show the advantage of using the WDF and irradiance-moments methods.     

Flow characteristics of an offset jet over a surface mounted square rib

A three-dimensional offset jet flow over a surface mounted square rib was investigated using particle image velocimetry at Reynolds number of 7600. The square rib was mounted at three different locations downstream of the nozzle exit. Contour and profile plots in the symmetry plane were used to investigate the effect of the rib on the mean flow distribution and turbulence statistics. Changing the rib location enhanced the mixing and entrainment characteristics of the jet thereby leading to larger wall-normal spread rates. The quadrant analysis revealed a significant contribution of all events towards the Reynolds shear stress. The joint probability density function analysis showed that the structures within the outer shear layer of the jet differed from those of boundary layers. Results from the two-point correlation analysis indicated that the introduction of a surface mounted rib modified the flow structures within the developing region. However, there was no significant structural difference between the flow with mounted rib and the no rib case within the self-similar region. The proper orthogonal decomposition was used to examine how changes in rib location modified the dynamics of the energetic modes towards the turbulent kinetic energy and Reynolds shear stress within the developing and self-similar regions.     

三棱镜对圆高斯光束的变换

本文对基模高斯光束经三棱镜的变换进行了定量分析,表明基模圆高斯光束经三角棱镜变换后成为椭圆高斯光束。得出了椭圆高斯光束基本参量（椭圆光斑长、短半轴、等相面曲率半径、远场发散角）与入射基模圆高斯光束腰斑半径及三棱镜结构参数的定量关系。分析了光束的Ｍ２因子。