基于目标反射回光对高功率光纤激光器影响的理论模型和数值研究

在高功率光纤激光系统中,常会出现激光照射到目标处产生的回光被重新耦合到激光器内部并得到放大,从而损伤激光系统的现象.对于高功率光谱合成光纤激光系统等缺乏有效回光防护的高功率激光系统,该情况尤为严重.为了解决上述问题,有必要综合整个系统链路中的多种物理效应,评估和分析反射回光对系统运转状态的影响,在设计光纤激光器时优化光路布局和系统结构,以尽量避免不必要的损失.本文基于大气传输理论、光纤速率方程和介质热传导方程模型,分析了反向回光对高功率光纤激光器的影响.研究发现,在大气条件一定的情况下,回光功率与传输距离、光轴偏移角度、光束发散角和光束中心位置偏移量等因素有关,并且会影响光纤激光器输出功率、光束质量因子、热效应和受激拉曼散射光谱信噪比.研究结果对于优化高能光纤激光系统的外光路布局和激光器内部器件系统参数设计具有一定的指导意义.     

基于长脉冲光源的钠信标回光特性实验研究

采用与信标发射接收系统参数匹配的长脉冲光源,可在脉冲回光时间内产生较亮星等的钠信标,既有利于提高信标探测的信噪比,也有利于实现自适应光学系统的高频闭环校正.基于450 mm直径望远镜和大能量长脉冲光源,开展了钠信标探测实验,得到了长脉冲光源产生的钠信标回光特性.通过CCD和光电倍增管,采集得到了不同发射能量、出射偏振态下的回光强度,并获得了最大强度为15万光子/m2/pulse的回光,对应脉冲回光时间内约4.1等星的亮度.分析推算了实验条件下钠原子的柱密度.实验全过程未出现明显的饱和现象,验证了采用长脉冲钠信标光源避免饱和效应、得到高亮度钠信标的可行性.     

钠激光导星的共孔径发射接收与谱线匹配技术

研究了采用时间选通和共孔径方式的钠激光导星技术,并开展了钠信标发射接收实验研究。分析了钠原子共振散射与信标激光波长的匹配关系,介绍了钠信标激光器、距离选通装置、回光探测装置、同步控制装置等的研制工作。实验成功采集到了钠信标图像,通过分析回光图像随信标激光波长的变化规律,验证了波长匹配在钠激光导星中的重要性。     

大气环境下基于目标照明回光的视轴误差校正实验研究

理论分析了激光瞄准系统中视轴误差与目标照明回光的关系. 介绍了同时具备激光束发射与瞄准偏差校正功能的自适应光学器件––自适应光纤准直器的原理. 搭建了光束经200 m水平大气传输的激光瞄准实验平台. 基于二维目标和三维目标的照明回光, 利用随机并行梯度下降算法分别实现了不同初始视轴误差下的瞄准闭环校正. 实验结果表明, 闭环后二维目标和三维目标的视轴校正残差评价参数分别小于6%和10.8%, 校正精度均在理论范围内. 最后, 分析了算法参数对动目标瞄准的影响.     

基于空间频率域滤波的漫反射光大气湍流传输数值仿真方法

在基于目标回光的激光瞄准系统和目标在回路(TIL)系统中都要使用目标照明漫反射回光作为系统工作的基础.数值仿真在研究光波传输特性的过程中一直发挥着重要作用.由于漫反射光场发散角很大,给数值计算带来困难.一般的处理方法是进行分段空间域滤波,但这会大大增加计算量.提出一种计算漫反射光传榆的频率域滤波方法.频域滤波基本不增加...     

基于布洛赫方程的多色信标回波光子数数值仿真

信标技术历经了自然信标、瑞利信标、钠信标以及信标阵列的发展过程仍无法实现真正意义上的全天空覆盖,而多色信标是大口径地基自适应望远镜实现100%天空覆盖率的有效手段之一.但是现有的多色信标的仿真模型都存在着一定的不足,特别是对一级激发中间层钠原子形成多色信标的仿真模型无法准确计算出多色信标的回波光子数.本文提出了基于布洛赫方程的仿真模型,对一级激发中间层钠原子形成多色信标回波光子数进行数值仿真,充分考虑多普勒展宽、进出作用场、碰撞以及反冲作用的影响,并采用回光效率描述回波光子数的多少.仿真结果表明,存在最优的激光器线宽使得回光效率达到最大,若采用功率密度为10 W/m~2的激光器激发中间钠层,最优线宽为18 MHz,最大330 nm回光效率为0.907 Photons/[s·sr·atom·(W/m~2)].     

共孔径偏振耦合分光系统中反射镜造成的相位延迟差的测量

 激光信标共孔径发射接收偏振分光系统的动态相位补偿需要测量望远镜各反射镜对s光和p光的相位延迟差。利用Stokes矢量和Mueller矩阵建立了物理模型,并推导出用测得的回光功率计算相位延迟差的解析式。提出一种通过实验测量回光功率计算反射镜相位延迟差的方法,解决了在0～2p范围内唯一确定反射镜相位延迟差的问题。实际测量了两块反射镜的相位延迟差,并将测量结果用于动态相位补偿偏振分光实验,验证了该方法的正确性。分析了偏振分光棱镜、法拉第旋光器以及近似计算这3个主要的测量误差源,并估计总测量误差约为1°。     

人造钠信标角度非等晕性的实验研究

为实际验证较大角度偏移(θ≈50μrad)条件下人造钠信标探测光路与科学目标光路之间经历大气湍流波前畸变的相关特性及其影响,开展了基于时序同步探测的人造钠信标角度非等晕性实验测量研究,利用单哈特曼波前传感器实现了对自然星回光点阵以及50μrad角度偏移钠信标共振回光点阵的同步测量,获得了时序同帧钠信标与自然星回光的波前序列,并从两者波前二维分布及Zernike模式的统计相关性、非等晕误差的Zernike模式统计分布特性及其对目标成像影响等方面对实验结果进行了较全面的分析.结果表明,50μrad的角度偏离导致两者波前仅低阶模式之间保持着一定相关性(如第3—9阶),而非同轴钠信标偏离望远镜接收口径的大气湍流误采样带来其探测波前与自然星波前之间部分高阶模式相关性的严重退化,致使目标成像点扩散函数Strehl比(0.31—0.22)、光学质量β(2.70—3.35)的下降,该影响不容忽视.最后,依据实验大气条件完成非等晕误差测量结果与理论计算结果的对比分析,获得了理论与实验相符的结果.     

一种半双工EPON系统的性能分析

提出了改进的上行光环回技术和冲突检测技术以解决现有全双工CSMA/CD EPON方案中上行环回光功率损耗过大和冲突检测实现困难等问题.提出了一种半双工CSMA/CD EPON方案.通过理论推导和仿真验证,说明了虽然接入网系统中上/下行业务量往往是高度不对称的,该半双工CSMA/CD EPON的吞吐量性能与现有的半双工以太局域网的吞吐量性能相当.     

百瓦级全光纤结构单频掺铥主振荡功率放大器

报道了平均功率超过百瓦的单频掺铥全光纤结构主振荡功率放大器。使用线宽小于100kHz、中心波长为1.97μm的单频种子源进行级联放大,主放大器的斜率效率为50%。监测放大器的回光功率和光谱,没有发现受激布里渊散射以及其他非线性效应。通过增加泵浦功率,可以获得更高功率的掺铥单频放大输出。     

基于目标在回路的三路光纤传输激光相干合成实验

实验验证了一种利用目标回光在远场实现相干合成的技术——目标在回路技术.建立了目标在回路相干合成的物理模型,利用可同时调整光程和光束倾斜的自适应光纤光源准直器,同时补偿合成光束间的平移和倾斜相差,实现了基于目标在回路的三路光纤传输激光间相干合成,获得了接近理想情况的合成效果.文章为在实际大气环境中实现多路相干组束的长距离传输提供了参考.     

LD直接泵浦全光纤激光器输出功率突破20 kW

高功率光纤激光器具有高效率、小体积、低成本、抗回光能力强等突出优点,在工业加工等应用领域中具有明显的竞争优势。近期,国防科技大学基于光纤耦合半导体激光器(LD)直接泵浦的主振荡功率放大器(MOPA)实现了单纤20.27 kW的功率输出。放大器采用纯后向泵浦方案,中心波长1080 nm,光光效率达到84.8%,拉曼散射抑制比大于50 dB。通过优化光纤和器件的设计,可进一步提升激光器的功率和光束质量。     

大尺寸全视场目标点的自动定位方法

提出了一种目标点全视场自动定位方法,该方法利用回光反射标志点的强反射特性和目标点特征,采用粗精两级定位自动获取目标点中心.实际操作中只需预先设定相关的阈值参量,可快速获取图像中的所有目标点的图像坐标,极大地提高了视觉测量的效率和自动化程度.对于3 008×2 000 pixel大小、包含约140个目标点的RGB图像,利用该方法定位所有目标点的用时为14.9″,定位准确度为1/10 pixel.     

反馈法定位两原子之间的相对位置

研究了置于一个单模驻波光腔中的两个二能级原子，通过利用测量场的正交分量的方法定位这两个原子位置的情况. 发现在不考虑腔损耗的条件下，利用此方法即可很好地定位两原子的位置. 若考虑腔损耗时，通过将测量所输出的信号反馈回光腔中的方法可降低由腔损耗所导致两原子定位能力的损害程度.     

反馈法定位两原子之间的相对位置

研究了置于一个单模驻波光腔中的两个二能级原子,通过利用测量场的正交分量的方法定位这两个原子位置的情况. 发现在不考虑腔损耗的条件下,利用此方法即可很好地定位两原子的位置. 若考虑腔损耗时,通过将测量所输出的信号反馈回光腔中的方法可降低由腔损耗所导致两原子定位能力的损害程度. 关键词： 两个二能级原子 场的正交分量 反馈 定位     

2.15μm全光纤气体拉曼激光光源

报道了全光纤2.15μm波段光纤气体拉曼激光器。将实芯单模光纤与空芯光子晶体光纤直接熔接制备成全光纤气体腔，并在实芯光纤上刻写长周期光纤光栅，防止菲涅耳反射回光对泵浦源造成损坏。以1971 nm脉冲光纤放大器作为泵浦源，当腔内气压为1.4 GPa时，2.15μm拉曼光的最大平均功率约为0.87 W，受限于较高的拉曼阈值，光光转换效率只有19%。本研究为实现2.15μm光纤激光光源提供了一种新的可行的技术方案。     

5 kW振荡放大一体化高可靠性光纤激光器

振荡放大一体化光纤激光器具有振荡器抗回光能力强和放大器效率高的双重优点,在工业领域有着很好的应用前景。国防科大首次实现了输出功率大于5 kW的振荡放大一体化光纤激光器,光光效率约为80%。重点研究了该激光器在高功率运行时的可靠性和控制逻辑。首先,类比普通放大器中“不开种子、只开放大”的情况:在振荡部分泵浦源关闭时,瞬间开启放大部分泵浦源;其次,类比普通放大器中“不关放大、只关种子”的情况:在放大部分泵浦源开启时,瞬间关闭振荡部分泵浦。实验结果表明,以上两种极端情况下激光器都可稳定正常工作。首次验证了该激光器在控制逻辑和泵浦源开关顺序方面无特殊要求。     

基于噪声模型变换的子光斑质心提取方法

受天光背景、大气湍流强度、信标光回光特性和探测器噪声等因素影响,夏克-哈特曼波前传感器子孔径光斑常存在强度分布不均匀和低信噪比的情况,故子孔径内光斑质心定位不准且波前探测精度下降。提出了一种基于噪声模型变换的子孔径光斑质心提取方法,采用方差稳定变换（VST）将探测引入的泊松-高斯噪声转换为高斯噪声,进一步基于残差反馈优化BM3D策略实现低信噪比子孔径图像的高效去噪。结果显示：所提方法可有效提取低信噪比夏克-哈特曼波前传感器光斑阵列图像中的光斑信号数据,提高了子孔径光斑的质心定位精度和稳定性;相比于传统自适应阈值法等方法,所提方法在子光斑图像峰值信噪比低于6时,可以提升波前复原精度2倍以上。     

基于色散补偿光纤的高速光纤光栅解调方法

本文提出并论证了一种光纤光栅高速解调的新方法, 利用色散补偿光纤的色散效应, 将光纤光栅的波长漂移信息转换成时域信息. 采用脉冲激光器作为光源, 仅需一个光脉冲可获取单根光纤上所有光纤光栅的反射光脉冲, 再根据各个光栅反射回光脉冲的延时变化即可实现波长的解调. 本方法可用于准分布光纤光栅传感网络解调, 系统采用全光纤结构, 无需波长扫描, 大大提高了解调速度. 本文搭建了测试系统进行实验验证, 对3个光纤光栅组成的准分布式传感网络进行了解调, 实验结果表明, 解调出的光纤光栅布喇格波长线性度好, 解调速度最高可达1 MHz, 采样数据取10次平均后解调线性度可达0.9969, 解调误差约为27.8 pm.     

激光导星共孔径偏振分光发射接收效率

利用同一个望远镜孔径完成激光的发射和接收，目前广泛采用的分光方式主要有半透半反镜分光、高速转镜分光和偏振分光等。其中，半透半反镜分光方式效率太低，高速转镜分光方式工程难度较大。偏振分光方式则较为简单，在一些实验装置中得到较多的使用。在地平式折轴望远镜上进行自适应光学瑞利激光导星技术研究，实验中发现，采用偏振分光方式进行激光的发射和接收(见图1)时，由于机架的方位和俯仰旋转带动反射镜做相应旋转，分光效率随着望远镜的方位角和天顶角变化会发生周期性的改变，使得在某些角度下几乎接收不到回光。