激光中继镜系统的上行传输光束整形

激光中继镜技术是近年来备受瞩目的一项新技术,能量耦合效率是中继镜系统的关键因素之一.中继镜系统采用双望远镜结构实现光束上行传输与接收,光束上行传输过程中,由于衍射作用造成中心能量聚集和光斑扩展,且由于接收望远镜次镜的阻挡和主镜接收口径有限,造成系统能量严重损耗.文中建立了双望远镜系统模型,通过控制优化出射光场的相位分布...     

基于涡旋光源和相位优化的中继镜系统上行链路光束传输缩比实验研究

激光中继镜技术是一项备受各方瞩目的新型系统作战概念。光束在上行链路传输过程中,接收望远镜的截断和次镜的阻挡导致了严重的能量损耗,降低了中继镜系统的性能。涡旋光源和相位优化是提升激光中继镜系统上行链路能量效率的有效方法之一。以光源口径为1.2 m,上行传输距离为30 km,上行接收望远镜外径为1.2 m,内径为0.24 m的中继镜系统为原型,搭建了相同菲涅耳数的中继镜系统光束上行传输缩比实验装置,通过液晶空间光调制器反射调制NdYVO4光源的方法产生涡旋光源,并由随机并行梯度下降算法优化涡旋光源相位分布,开展了中继镜系统上行链路光束传输缩比实验研究。实验结果表明,通过采用涡旋光源和相位优化,中继镜系统上行链路能量效率得到了显著提高,由71.89％提升至91.59％。     

基于相干合成的中继镜系统光束上行传输分析

建立了以相干光束阵列作为光源的中继镜系统模型,光源相位分布由随机并行梯度下降算法优化控制;定义了上行接收光束强度分布不均匀影响因子并分析了上行传输过程的评价函数;在H-V5/7模型大气湍流条件下分别计算了以相干光束阵列作为光源和以平台截断光束作为光源的中继镜系统的上行传输效能。结果显示,利用随机并行梯度算法控制多光束相干合成实现中继镜系统光束上行传输,系统上行传输能量耦合效率和上行接收光束强度均匀性均得到了有效的提高。对10 km上行传输过程,系统评价函数由0.6730提升至0.8838;对30 km上行传输过程,系统评价函数由0.4266提升至0.8560。     

激光中继镜系统的上行光束模拟

介绍了激光中继镜技术的概念和激光中继镜系统的工作过程,分析了该系统的优势和应用范围,建立了激光中继镜系统上行光束模型并近似为一真空远场衍射模型.分析了上行光束的传输方式并计算了理想条件下不同传输距离Z处接收光场H(R)的强度、相位分布以及能量接收效率η与接收望远镜口径R和传输距离之间Z的关系曲线,最后对结果进行了分析.得出在理想情况下,当中继镜系统采用1.5 m口径的望远镜发射和接收波长3.8μm激光束时,随着衍射距离的增加,接收场的衍射远场特性逐步显现,对传输距离在50 km范围内,系统的能量接收效率在85%以上.     

中继镜系统上行传输的数值模拟

利用激光大气传输四维程序,在H-V5/7湍流模型下建立了双望远镜中继镜系统上行传输模型。数值研究了地面发射功率对中继平台接收望远镜与地面发射望远镜之间的耦合效率以及中继平台接收功率和接收光场远场峰值功率密度的影响。结果表明:在文中的条件下,中继平台接收功率随着地面发射功率的增大而增大,同时,中继接收望远镜与地面发射望远镜之间的耦合效率和中继平台接收光场的光束质量随着地面发射功率的增大而下降;存在一临界热畸变参数NDc,当上行传输的热畸变参数超过这一值时,中继平台接收光场的远场峰值功率密度不再增加反而下降。对不同湍流效应下的中继镜系统上行传输的临界热畸变参数作了进一步研究,得到了临界热畸变参数随D/r0值变化的拟合关系式NDc=22.36e-0.26（D/r0）+36.87。     

孔径匹配对中继镜系统上行传输影响的模拟与分析

利用激光大气传输四维程序,建立了双望远镜中继镜系统上行传输模型,研究了孔径匹配对中继镜系统上行传输的影响。选择去除畸变相位后的接收光场的远场峰值功率密度作为中继镜系统上行传输的性能指标,通过光束在真空中传输的计算,得到了接收口径一定时不同发射口径对应的最优发射焦距,并对不同发射功率激光在大气中上行传输的情况进行了模拟计算。结果表明,当接收孔径一定时,随着发射孔径的增大,最优发射焦距减小;增大发射孔径,可以增大临界发射功率;当发射功率较小时,在一定发射口径范围内,发射口径的变化对中继镜系统上行传输的性能指标影响不大,当发射功率较大时,增大发射口径可以有效提高中继镜系统上行传输的性能指标。     

斜程传输中继镜系统作用效果模拟

建立了斜程传输中继镜系统模型,由地基系统、中继镜平台以及必要的地面和通信链路等组成,光源为1 064 nm、100 kW功率的理想固体激光,中继镜平台位于光源斜上方45°、距离14.14 km处,发射、接收、二次发射望远镜内外径分别为0.1 m和0.5 m.分析了模型参数条件下中继镜系统上行光束最优传输方式;在某地实测大气条件下,利用激光大气传输"4-D"程序及相关程序模块分别计算了中继镜系统和地基激光直接对高度100 m、飞行速度500 m/s目标的作用效果.根据相关标准以及中继镜系统对目标可作用时间长的特点,选取地基系统直接作用和中继镜系统作用的破坏阈值分别为3 cm平均桶中功率密度1 000 W/cm2和200 W/cm2,分析得出:直接作用与中继镜系统作用的最大水平距离分别为4.3 km与8.8 km;对不同位置目标选择不同作用方法,整套系统可完全覆盖18.8 km水平距离的作用范围,大幅度拓宽了单一地基激光的作用范围.     

激光中继镜传输的等效菲涅耳数分析

中继镜系统被认为是一种能有效降低大气对激光影响并提升激光打击范围的新型高能激光系统。激光中继镜传输优势评判标准以及应用优势范围分析是中继镜技术研究的重要内容。文章建立了中继镜系统光束传输模型,详细推导了真空和湍流条件下激光中继镜传输过程的等效菲涅耳数,分析了光束中继镜传输过程的性能评价因子以及光束传输性能与等效菲涅耳数的关系,在此基础上分析了激光中继镜传输应用优势范围的求解方法,并对Hufnagel-Valley 5/7湍流模型条件下光源波长3.8 m、高度30 km的激光中继镜系统进行了数值模拟。结果显示:地球大气湍流条件下,中继镜系统能提升激光对远距离、高空目标的打击效果,拓展激光的打击范围。     

微柱阵列和两种透镜导管耦合系统的三维光线追迹与设计

微柱阵列和透镜导管组成的耦合系统在激光二极管阵列(LDA)抽运的全固态高能量激光器中起着重要的作用,其光束耦合性能直接影响激光器的最终输出能量和光束质量。为了设计微柱阵列和透镜导管耦合系统的最佳结构参数,需要研究抽运光在耦合系统内部以及在激光晶体端面的分布。利用几何光学理论,对LDA的发射光线经微柱阵列和透镜导管的传输进行三维空间追迹,并计算其能量传输效率和光束整形效果。比较了六面体导管和渐细圆台形导管的耦合性能。仿真分析结果表明,六面体导管需要长度较大,能量传输效率略高,而圆台形导管可以较短,耦合整形后的光斑更接近圆形。     

半导体激光器光束谱合成效率的分析

针对半导体激光器的光束谱合成系统结构及其特点,利用Lang-Kobayashi模型建立的速率方程,在稳态情况下,推导出单个子光束经谱合成系统后的效率公式,并进一步讨论了多个光源经谱合成系统后的合成效率及其影响因素。研究结果表明:半导体激光器经谱合成系统的效率与半导体激光器输出端面和外腔输出耦合镜的反射率的相对大小、变换透镜和望远镜系统的透过率、闪耀光栅的衍射效率以及系统的耦合效率有关;在实际工程设计中,要尽可能提高变换透镜和望远镜系统的透过率、闪耀光栅的衍射效率以及系统的耦合效率,并综合考虑系统效率和光谱稳定性的要求,对半导体激光器输出端面和输出耦合镜的反射率进行优化设计。     

钠信标光斑大小及回光数研究

钠信标已经成为地基大口径望远镜自适应光学系统的必要组成部分。钠信标光斑大小和回光数是影响自适应光学系统性能的关键因素,从发射角度考虑,主要由激光到达钠层时功率密度分布和耦合效率共同决定。为了准确估计钠信标光斑大小和回光数,首先建立了激光在大气中传输的模型,通过分析激光发射望远镜口径和上行路径大气湍流对激光到达钠层功率密度分布的影响,得出优化激光发射望远镜口径的普适方法;然后根据激光通过发射望远镜后到达钠层的功率密度与耦合效率的关系,计算钠信标光斑大小和回光数;最后利用探测误差和时域误差作为评价指标,计算了系统的最优采样频率。研究结果表明,针对丽江高美古天文台大气条件（大气相干长度（r0@550 nm）中值为7~9 cm）,激光发射望远镜口径最佳值为300 mm,此时产生的光斑最优;当r0为9 cm,激光器采用中国科学院理化技术研究所20 W级百微秒脉冲激光器并利用D2a+D2b双峰泵浦激发钠原子时,产生的钠信标回光数为1.3107 photonss-1m-2,光斑大小为0.6,最优的采样频率为900 Hz。     

钠信标测光理论与实验研究

钠信标激光器与钠原子间的耦合效率是其性能评价的核心指标之一,为对钠信标激光器的激发效率实现精确测量,在云南丽江1.8 m望远镜上搭建了一套完整的激光钠信标测光系统,该系统由钠信标激光器、激光中继光路和激光发射望远镜、钠信标接收望远镜、钠原子激光雷达、大气视宁度测量仪等组成。自2011年以来利用该系统对中国科学院理化技术研究所20 W级百微秒脉冲激光器所产生的钠信标进行了相应的测量标定,成功得到了半高全宽最小为3'（对应到90 km高度处为1.3 m）的钠信标图像,并测量了在不同的出光功率、偏振状态和中心波长下钠信标的回光结果。实验中分析了滤光片、CCD量子效率曲线等在对钠信标测光时的影响,对所产生的钠信标回波光子数进行了精确标定,并提出了一种钠信标V星等的计算方法;在19 W出光功率,圆偏光状态下获得了最亮的钠信标,其在大气层上空的光子数流量为9.55106 photonss-1m-2,对应7.4 V星等。     

望远镜准直系统应用于激光的单模光纤耦合

介绍了用望远镜准直系统提高激光光纤耦合效率的方法 ,提出对于那些直接耦合效率非常低的系统 ,利用合适的望远镜准直 ,耦合效率可以大大提高。激光器为TA1 0 0型 ,1 6∶1的望远镜系统使单模光纤的耦合效率达到70 % ,保偏光纤耦合效率达到 6 7%。介绍了实验中两透镜距离如何影响耦合效率 ,望远镜系统选取的原则 ,及将其应用于其他激光器的情况     

空间光通信光纤耦合效率及补偿分析

受大气湍流影响,空间光通信系统中接收光至单模光纤耦合效率降低,根据弱湍流理论,推导了Kolmogorov湍流信道情况下准直高斯光束至单模光纤平均耦合效率表达式,仿真了1 km传输距离下不同接收孔径下平均耦合效率与湍流强度的关系,结果表明:当大气折射率结构常数达到10-12时,耦合效率降到0.1以下,且耦合效率随接收孔径增大而降低。采用37单元自适应光学系统（AO）进行补偿实验,对畸变波前进行重构再利用反射变形镜进行修正的方法,对比不同AO状态下波面图质量及远场长曝光成像及质心位置漂移,发现AO进行低阶像差校正后,波面峰-谷值及标准差减小、斯特列尔比（SR）及耦合效率增加,进行高阶校正后情况进一步改善。     

地基激光测距系统观测空间碎片及其探测能力研究

空间碎片高精度测量是提升碎片目标精密监测与预警的重要途径。作为空间碎片地基光电探测技术,激光测距具有高精度测量特性。根据空间碎片激光测距特点以及瞄准国际技术发展,研制高性能高功率激光器、突破高效率激光信号探测等,国内首先建立了60 cm口径空间碎片激光测距系统,实现了碎片目标测量距离从500~2 600 km,目标截面积从小于0.5 m2到大于10 m2,具备了空间碎片常规测量能力。根据空间碎片激光测距方程,结合实际激光回波数据,综合考虑空间碎片过境时段等,构建了地基激光测距系统探测仿真模型,研究了60 cm口径空间碎片激光测距系统探测能力,可对距离1 000 km、直径大于50 cm碎片目标进行观测,与实际测量结果相符,验证了仿真模型的合理性,为未来地基激光测距系统高效运行及测量装备建设与探测效能评估奠定了基础。     

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.     

基于磁谐振式无线输能系统频率调谐的效率优化

磁耦合谐振式无线输能系统理论设计上可在临界耦合的一段区间内达到高效率能量传输,但还存在远距离弱耦合区效率急剧衰减,近距离强耦合区出现谐振频率分裂现象的问题。为此,仿真并设计制作附有铁氧体磁芯的平面螺旋耦合线圈,在传输系统中做频率跟踪调谐,使传输距离在强耦合区变化时,依旧保持系统高效率传输。测试表明,整个系统可实现传输距离在5~20 cm变化时,都能保证无线输能效率高于80%。