距离千米级双望远镜的空间碎片激光测距

以上海天文台收发分离的21cm/60cm口径卫星激光测距系统为例,利用高精度计时器、光电探测器等设备,对发射/接收系统的时延分别进行测量与标定,测量地面靶目标所得到的发射/接收系统的总时延与常规地面靶目标测量方法的测量均值相比,时延标定误差为400ps。在此基础上,利用高精度时钟系统,并在解决远距离望远镜回波信号探测距离门控制问题的条件下,实现了相距2.5km的双望远镜系统对距离大于1000km的空间碎片目标的测量,验证了远距离接收空间碎片目标激光回波信号的能力。     

用于高能激光系统的共孔径光学装置设计

高能激光系统的主要工作方式是利用其精跟踪模块将发射激光传输聚焦至闭环跟踪条件下的目标上,使之受到毁伤或失效。为实现该工作方式,本文研究设计了一套共孔径光学收发装置。该装置的发射系统主要由离轴两反式主望远镜模块、伽利略透射式调焦望远镜模块和光束馈送模块共同组成二级扩束系统,接收系统主要由离轴两反式主望远镜模块、精跟踪成像模块和光束馈送模块共同组成长焦距光学系统,其中光束馈送模块由二向色镜、快速反射镜等光学元件组成。以非相干空间合束的基模高斯光作为激光光源,利用光学设计软件对该装置进行了优化设计。对于发射系统,获得了激光经过调焦望远镜模块不同的调焦量调制后,传输至0.5~5 km处的光斑分布情况,且激光波前像差RMS值均优于λ/20;对于接收系统,由各模块一同构成的成像光学系统的性能经优化后接近衍射极限,其中系统传递函数在70 lp/mm时大于0.6,最后通过样机实验也验证了设计的正确性。本文的设计和实验结果证实了该共孔径光学收发装置结构合理,性能可靠,满足高能激光系统的工程应用需求。     

卡赛格林望远系统与激光束参数的匹配

在共孔径卡塞格林望远镜系统中次镜遮拦造成了激光束能量的损耗，远场光斑扩展，降低了照射到目标位置处的激光功率密度，关于这方面已经有了一些相关的报道。发射的DPL激光束光强分布具有中心强边沿弱的类似高斯分布的特点，为了与卡赛格林系统匹配，实心光束需要扩束到合适的口径，并通过环形光阑变为环形分布才能耦合到望远镜发射出去。但是，光束扩束倍数与望远系统参数的匹配问题，还未见报道。为了提高激光的能量利用效率，提高目标位置处的功率密度，增加系统的有效作用距离，有必要研究发射系统的参数匹配问题。     

高能激光精确指向监视系统设计及装调

为实现高能激光的有效发射,设计了一种高能激光精确指向监视系统.该系统通过调整主、次镜的相对位置来进行调焦,同时能够在100~1000m范围内对自然目标清晰成像.利用ZEMAX软件对光学系统进行设计优化,运用ZYGO干涉仪和大口径平行光管进行辅助装调,使成像系统成像角分辨率达到3.38μrad5μrad,光学系统同轴度达到4.75″≤5″,满足设计指标要求.该系统能够捕获、识别、跟踪目标,从而引导高能激光进行精确打击.     

相变致冷镜的有限元结构优化

 镜体的结构决定了相变致冷镜抑制腔镜在高能激光辐照下的热变形的效果。比较不同结构形式的相变致冷镜镜面热变形的有限元软件计算结果，并通过一阶非线性优化方法，得到较优的放射状结构：硅基基体外径80mm，厚度12.5mm，光斑直径40mm,吸收功率密度为79.58kW/m²，当其最优沟槽深度为99mm，宽度为0.4mm时，光照10s时镜面热变形达到最小值0.37μm。     

中红外高能激光探测单元

基于光电导探测原理,分析了影响室温光导型InSb探测器在中红外激光功率参数测量中的因素,得到了材料掺杂数密度、环境温度对探测器暗电阻、光谱响应率和光谱探测率的影响规律;开展了探测器在强激光辐照下的热效应理论模拟和实验研究,模拟分析了探测器在激光辐照下的动态响应特性。结果表明:针对测量系统中所使用的探测器,在激光功率密度小于4 W/cm2时,激光热效应对测量结果的影响可忽略;研制了相应的恒流源驱动电路,实现了中红外高能激光功率参数的探测。     

强激光反射镜基体材料的热畸变特性有限元分析

 利用有限元方法数值模拟了单晶硅（Si）、铜（Cu）、钨(W)、氧化铍(BeO)等镜体材料的热畸变特性。结果表明：当入射激光功率为2 kW、镜面反射率为93%、光斑直径为17 mm、激光照射时间为10 s时,四种材料基板的中心最大热变形分别为0.984,3.32,1.55,1.88 μm。相比之下,Si镜的热变形最小,是比较理想的镜体材料;Cu镜的热变形最大;W和BeO两种材料的镜热变形介于Si镜和Cu镜之间,具有较高的强度和硬度,抗破坏能力较强。     

激光功率密度对Al膜靶后表面快电子发射的影响

 报道了在20 TW皮秒激光器上完成的p偏振激光与等离子体相互作用过程中产生的快电子的角分布和能谱测量结果。实验得到：当激光功率密度小于10¹⁷ W/cm²时,电子发射没有明显定向性,在激光入射面内多峰发射;当激光功率密度大于10¹⁷ W/cm2,小于10¹⁸ W/cm²时,电子主要沿靶面法线方向发射;当激光功率密度达到相对论强度时,电子主要沿激光传播方向发射;激光功率密度未达到相对论强度时,靶后表面法线方向快电子能谱拟合平均温度符合共振吸收温度定标率;激光功率密度达相对论强度以上时,靶后表面法线方向快电子能谱拟合平均温度高于已有的温度定标率。     

新概念高能激光武器与强激光光学计量检测技术

新概念高能激光武器的研究与发展已有四十多年的历史。第一代高能激光武器主要采用连续波化学激光器，其输出功率可达百万瓦。第二代高能激光武器主要采用了波长更短的节能固体激光器件，其输出功率为100kW。与第一代高能化学激光武器采用超高能量直接烧毁杀伤目标不同，第二代高能固体激光武器寻求节能型杀伤方式，即以最小程度的破坏来实现致命杀伤的效果。随着高能激光武器的发展和实战部署，作为高能激光武器核心的高能激光系统总体性能参数(能量/功率、激光波形、光束质量、近场和远场的强度分布、光束指向稳定性、光谱和偏振特性等)的计量和测试显得尤为重要。文中围绕新概念高能激光武器的历史、研究现状和未来发展展开论述。高能激光武器系统的研制对强激光光学计量检测技术提出的新要求和挑战有助于推进强激光光学计量检测技术的发展。     

高功率激光器的光谱合束技术研究北大核心CSCD

为了获得高功率激光束,提出利用双色镜对典型波长2种不同类型(脉冲、连续)的高能激光进行合束,以实现高功率高能量激光输出。通过对双色镜的热效应和合束光斑远场激光参数进行仿真分析计算,热效应仿真结果表明,在单束激光10 kW、光斑直径15 mm条件下,双色镜面型热形变量均方根值为0.004λ(λ=632.8 nm),满足光学元件面型小于0.03λ精度要求。搭建了一套基于双色镜的光谱合束系统,并分别进行了高功率连续激光与高功率连续激光、高功率连续激光与高能量脉冲激光的合束试验,合束效率高于95%。试验结果表明,光谱合束可有效应用于高能激光领域。     

采用APD阵列的共口径激光成像光学系统设计

针对机载平台激光3D成像系统的轻小型需求,设计了采用APD阵列的共口径激光收发光学系统。在分析激光成像系统照明方式及其光学系统结构的基础上,给出了激光3D成像光学系统结构框图:激光经衍射元件实现分束照明,采用双工反射镜实现收发光路的耦合。该光学系统用于2 km以内的目标三维成像,根据激光测距方程,确定了接收光学系统的参数以获得满足信噪比的回波能量。为避免造成像素之间串扰,设计了5倍扩束比的发射光学系统。最后,采用偏振片与1/4波片相结合的方式消除杂光,降低了发射光路对接收光路的影响。设计结果表明:接收光学系统弥散斑直径小于120μm,畸变小于0.2%。该光学系统体积小、重量轻,成像质量良好,可为同类激光成像光学系统提供借鉴参考。     

Experimental study on beam shaping in a reduced-scale relay mirror system

Improving power coupling efficiency of beam uplink propagation in a relay mirror system is under extensive research in recent years. A typical model of the relay mirror system is established and theory of beam shaping used to improve power coupling efficiency of the relay mirror system is analyzed in detail. A reduced-scale experimental relay mirror system is founded, which has the same Fresnel number as uplink propagation in the relay mirror system with 1.0 m-caliber transmitter and 30?km propagation distance. Phase distribution of the source is optimized by using the stochastic parallel gradient descent algorithm. The experimental results showed that power coupling efficiency of uplink propagation in the reduced-scale relay mirror system was improved from 72.67 to 87.88 % by beam shaping and the bucket power proportion in 5 pixels at the target was improved from 45.49 to 52.78 %.     

Analysis of optical energy transportation on toroidal mirror X-ray relay optics

An analysis is given about energy transportation in toroidal mirror X-ray relayoptics.The systematic error which may be induced in the measurement of laboratory X-raylaser gain by the toroidal mirror relay optics is analysed and simulated for two applicable sys-tems,as shown in the examples,the degradation of spatial resolution of the relay optics is esti-mated.     

天基激光武器系统的发展

介绍了天基激光武器系统的概念、组成、应用和关键技术,分析了激光对目标的杀伤程度,并给出了相应的参考阈值。针对系统的关键问题提出一些解决方法,包括高能激光器的研制和种类,大口径反射镜研制技术和结构形式,以及天基目标捕获跟踪瞄准(ATP)系统精度的影响因素和提高精度的方法。通过对天基激光武器系统发展的研究,为该系统的进一步发展和精度的提高提供研究方向和理论基础。     

机载光学整流罩与扫描反射镜尺寸及渐晕的设计分析

为满足机载光电系统的成像作用距离要求,对机载光学整流罩以及扫描反射镜的设计尺寸进行了理论仿真分析计算,并对研制的样机进行了试验研究。以实例形式给出了整流罩设计的作用距离与相关参量的计算结果,讨论了整流罩扫描系统的渐晕大小。装备该整流罩系统的样机,在近万米高空对音速某战机的红外长波扫描搜索距离可达到86 km,红外中波跟踪达到180 km,激光测距达到47 km。结果表明:根据探测作用距离理论模型分析计算,研制的机载光学整流罩及扫描反射镜光学系统达到了设计要求。     

内爆驱动式超高速发射技术的初步研究

为获得10 km/s左右的超高速发射能力,以内爆发射器为研究对象,利用AUTODYN 2D软件对口径为8 mm的内爆发射器进行有限元仿真分析,获得了典型状态下的弹丸发射速度。研制了口径为8 mm的内爆发射器,并在压缩管中填充5 MPa氦气进行实验,分别获得了0.55 g铝合金弹丸7.95 km/s和0.37 g镁合金弹丸10.28 km/s的发射速度,与有限元仿真计算结果的速度偏差分别为15.3%和3.7%。结果表明,设计的内爆发射器具备10 km/s发射能力,满足空间碎片撞击和防护研究的超高速发射需求。     

利用单模光纤中SBS效应进行被动调Q的掺铒光纤激光器研究

分析了利用光纤中的受激布里渊散射(SBS)相位共轭效应进行激光腔内调Q,产生ns量级脉冲激光的原理,并对利用该效应产生的激光脉冲波形和脉冲形成过程进行了数值模拟,得到的脉冲波形与SBS相位共轭反射率随时间变化曲线基本一致,表明利用光纤中的SBS相位共轭作用调Q具有可行性。据此,对采用单模光纤(SMF)作为SBS池的掺Er3＋调Q光纤激光器进行实验研究,当单模光纤长度为1.5 m时,在45 mW的抽运光功率下得到脉宽约2.6 ns,脉冲周期58.23 ns,平均功率7.35 mW的激光脉冲。进一步的研究表明：激光器中相位共轭镜的形成与SBS介质长度有关,SBS介质过长,斯托克斯线之间无固定的相位关系,不能形成相干叠加,SBS相位共轭腔不能形成; SBS介质过短,腔内正交偏振模光子寿命的改变使脉冲出现双峰现象。脉冲形成后其属性只与SBS动态属性有关。     

空间太阳望远镜主镜支撑结构的优化设计

空间太阳望远镜主镜是有效口径为1m的抛物面镜,工作状态需要达到衍射极限,因此光学系统要求主镜面形误差小于λ/40(RMS),精度主要靠主镜支撑结构来保证。主镜支撑结构应满足地面调试、在轨及发射状态的需要。支撑结构试验样机已经加工完成,地面调试结果表明主镜的镜面变形满足整个光学系统的要求。试验样机强度和刚度还有较大余量,结构本身比较复杂。用有限元分析方法进行优化设计,优化后的主镜支撑结构满足地面调试、在轨及发射状态的需要,也能保证主镜的面形满足整个光学系统的要求,有效减轻仪器重量、简化支撑结构的同时,提高了整个仪器的可靠性。