基于自适应光学的大气光通信波前校正实验

为了缓解大气光通信中由于大气湍流的影响而产生的波前畸变、反射等严重影响通信质量的现象,文章采用了自适应光学技术,即对畸变波前进行重构后再利用反射变形镜进行修正的方法,从理论分析、实验研究方面开展了自适应光学修正传输波前的研究工作。研究结果表明：在相同实验条件下,在保持链路误码率定量为（1×10-6）时,使用自适应光学技术比不使用时系统发射功率减小了50%。在近地大气激光通信中,自适应光学技术在增加系统增益,减小系统误码率方面效果显著。     

MEMS微变形反射镜校正波前静态畸变实验

微变形反射镜(MEMS-DMs)是用于自适应光学中波前校正的重要元件.对微变形镜波前校正原理进行了分析,设计了基于自适应光学系统的测试系统,通过闭环控制技术成功地利用一种分离式MEMS-DMs校正了实验系统中位相板引入的波前畸变,实验结果显示离焦项Zernike系数相对最大,是造成整个波面畸变的最重要的原因.MEMS-DMs对低阶波前畸变校正较好,高阶波前畸变校正时残余误差比较大,增加控制电极数量可以更好地校正高阶模式的波前畸变.基于自适应光学系统的MEMS-DMs波前畸变校正实验系统,可以为今后全面优化设计微变形反射镜及其更适应自适应光学系统的需要提供实验数据与理论支持.     

相干光照明主动成像波前畸变的数字式快速校正

针对相干光照明空间外差式探测主动成像中的波前畸变,提出一种基于图像指标优化的数字式快速校正方法。建立了实验装置,通过数值分割将整个孔径上的目标光复振幅分割为4个子区域,在此基础上首先利用随机并行梯度下降算法并行校正子区域内的高阶像差,然后以其中一个子区域为参考,并行校正子区域间的波前平移和倾斜。实验结果表明,直接利用随机并行梯度下降算法校正需要至少600次迭代,而文中所提出的方法校正需要大约100次迭代,而且运算量更小,因此大幅提高了波前畸变的校正效率。     

固体激光器波前畸变自适应校正技术及研究进展

自适应光学(AO)作为一种主动光学补偿技术,由于具有结构简单、校正效果好、可闭环运行等优势,被大量用于校正激光波前畸变,并于近年逐渐应用于高能激光器系统中。综述了AO系统工作的基本原理,系统论述了近年来国内外在AO系统校正固体激光畸变方面的研究进展。按照校正固体激光器波前畸变的AO系统中有无采用波前传感器,将其分为无波前探测和有波前探测的AO校正技术进行介绍,分析了各个研究工作的关键性技术。最后总结了目前存在的技术难题,并对AO技术在固体激光器中的应用前景进行了展望。     

人眼波前畸变的实时动态校正

以自适应光学技术为基础塔建了高分辨视网膜成像系统.利用微变形反射镜(DMs)作为波前校正器件,将镜面的形貌、波前及镜面的响应函数表示为泽尼克Zernike多项式的线性组合,利用直接迭代算法及控制电压矩阵改变镜面形貌,从而实现对眼睛波前畸变的适时校正.校正后残余误差的平方根值小于λ/7,接近衍射的极限分辨率.实验表明此闭环系统带宽小于5 Hz,能校正多数情况下眼睛的动态波前畸变,能对眼科医学的诊断提供一定的帮助.     

空间光波前畸变校正中的元启发式SPGD算法

为了改善传统随机并行梯度下降(Stochastic Parallel Gradient Descent, SPGD)算法收敛速度慢且容易陷入局部极值的问题,提出了一种元启发式随机并行梯度下降(Meta-Heuristic SPGD, MHSPGD)算法。该算法将SPGD算法和元启发式算法的开发与探索两步结合,首先利用SPGD算法的梯度下降搜索得到局部最优解,然后进行邻域搜索得到局部最优区域以外的可能最优解,通过所有解性能指标的比较来确定新的迭代起点。随着搜索范围的自适应扩展,该算法能够避免陷入局部极值并趋向收敛于全局最优。同时,为了避免重复搜索,建立了记忆表来记录迭代过程中产生的次最优解。搭建了无波前探测器自适应光学系统模型,运用所提算法对不同湍流强度下的波前畸变进行了仿真校正,并针对不同Zernike阶数的像差进行了仿真实验。在三种湍流强度下,MHSPGD算法所能达到的斯特列尔比(Strehl Ratio, SR)分别为0.7621、0.6554、0.3749,相比于SPGD算法分别提升了0.1%、2%和18.6%。此外,当畸变中含有较多高阶成分时,文中所提优化算法相比传统的SPGD算法,SR收敛到0.6所需的迭代次数减少了约47%,且SR收敛极限值也提升了约9.4%。结果表明:与三种主流优化算法相比,MHSPGD在保持较快收敛速度的同时,能够在各种湍流强度下达到更高的收敛极限,有效地解决了算法的局部收敛问题。     

板条激光模块热致波前畸变自校正设计北大核心CSCD

为了解决板条激光器输出激光光束质量不高的问题,建立了激光在板条激光模块中沿"之"字形光路传输时的热致波前畸变模型。对热致波前畸变的分布特点进行了研究,并提出了一种减小热致波前畸变的方法。数值仿真结果表明,通过合理的光路设计,优化激光以同一角度两次进入板条介质时的位置偏移量,可以达到减小板条厚度方向上热致波前畸变的目的。     

光波波前畸变测量系统的设计

本文基于Shack-Hartmann传感技术设计了一种测量光波波前畸变的测量系统。首先,对Shack-Hartmann传感技术的测量原理进行了详细地介绍;其次,对测量系统的测量原理和系统方案等方面进行了研究;最后,将普通光源照射该系统,对其波前畸变进行测量。实验结果表明:该测量系统基本满足光波波前畸变测量稳定可靠、精度高、实时性强等要求。本文的研究对Shack-Hartmann传感技术在自适应光学系统中的应用具有很大的参考价值。     

基于模糊控制的波前校正技术北大核心CSCD

模糊控制由于不依赖变形镜的响应模型,用于波前校正时具有实用性,其可行性已被证实。对自适应光学系统中模糊比例积分微分(PID)控制的波前校正效果进行了评估,包括对模糊校正带宽的测试、对模糊输入和输出论域的选取以及对模糊规则库以及波面加权模板的优化。实验结果表明,论域的选取合理,采用3×3的波前加权模板效果更好。当PID控制器3个参数矢量K_P、K_I和K_D的初始值都为0时,模糊输出论域采用隶属度正分布的规则库实用性更强。当哈特曼-夏克传感器刷新频率为120Hz时,系统校正带宽为5~6Hz,与常规PID一致。     

高斯光束质量与波像差之间的关系

为了考察光阑截断时高斯光束质量与波像差之间的关系,采用高斯光束值作为截断高斯光束质量的评价参量,通过数值仿真的方法分析光学系统波像差对截断高斯光束质量的影响,给出了高斯光束值与波像差间的拟合关系。讨论了高斯光束质量与Kolmogoroff大气湍流强度间的关系,并给出了二者间的拟合公式。结果表明,该拟合公式的计算结果在相当广的湍流强度范围内与数值仿真结果较好吻合,这也进一步验证了高斯光束值与波像差拟合关系的正确性。     

波前像差对超短飞秒激光脉冲聚焦特性的影响

为了研究波前像差对超短飞秒激光脉冲聚焦特性的影响, 基于瑞利-索末菲标量衍射理论, 对比研究了在散焦、像散、慧差、三叶形像差以及球差等各类波前像差下, 均匀强度分布和高斯强度分布的超短飞秒激光脉冲的聚焦特性。结果表明, 波前像差对均匀强度分布的飞秒脉冲在焦平面处的光强分布具有明显的不利影响, 从而降低飞秒脉冲的聚焦峰值功率, 而对高斯强度分布的飞秒脉冲影响相对较小, 即在高斯强度分布下, 在焦平面处仍然有可能获得较好的、近衍射极限的聚焦光斑; 在非焦平面处, 即使初始脉冲具有高斯强度分布, 非焦平面处的光强分布受各类波前像差的影响也较为明显; 对于所研究的30fs(1/e2半宽度)超短脉冲, 波前像差对脉冲持续时间的影响几乎可以忽略。此研究结果对超短飞秒激光束的光束质量评估及聚焦特性分析具有实际的指导意义。     

激光的光纤传输特性研究

本文从理论上计算了高期光束经透镜及光纤的传输特性，指出了当胺的参数ｚ０≤ｆ时，高斯光束经透镜后的模斑位置严重偏离透镜的焦点。文中还指出了保证光纤弯曲时子光线不漏出，对光纤的数值孔径有一定的要求。     

应用于环形激光束的低阶哈特曼波前传感器设计

针对高能化学激光器出光过程中存在着大比例、大PV值低阶像差这一现象,设计了专用于前5项Zernike像差检测的低阶哈特曼波前传感器。该传感器的透镜部分采用呈环形分布的6单元微透镜阵列与凸透镜组合的方法,且均用CaF₂材料制作。该方法不仅可以同时用于可见光和红外光的低阶像差测量,还具有成本低、光路结构简单、探测范围大等优点,适用于环形激光束的大PV值低阶像差检测。之后还搭建了测试光路系统,测试结果表明,该低阶哈特曼波前传感器的波面测量PV值量程为±8λ （λ=3.39 μm）,测量精度优于λ/10 （λ=3.39 μm）。     

斜程大气传输激光束的平均光强与短期光束扩展

基于广义惠更斯-菲涅耳原理、修正von Karman 湍谱、贝塞耳权重函数的高斯函数近似和误差小于4%的波结构函数平方近似,研究得出了包含湍流尺度影响的湍流大气中传输高斯光束的平均光强新关系和包含湍流外尺度影响的光束短期扩展因子。研究了高斯光束等效半径与传输距离、初始光束束径和光波波长间的关系,结果表明,在给定折射率结构参量和传输距离情况下,存在极小短期光束扩展对应的特征初始束径和特征光波波长。     

海水对激光辐射传输的反射与衰减

本文讨论了激光辐射在大气-海水之间的传输问题,详细介绍了海水表面的反射特性和激光在海水中的衰减,最后按照当前水平的典型参数估计了机载激光的测深能力.     

CCD的非线性响应特性对光束质量测量的影响及修正

在利用电荷耦合器件CCD对激光光束质量测量的过程中,通过对比不同的激光波长,分析了CCD的光电响应非线性特性对光束质量M2因子评价的影响。由于对未进行线性标定的CCD所测得的四种不同波长的激光器的光束束宽值相对比较大,这会对激光光束质量的测量精度带来影响,因此提出了一种新的基于面阵型光电探测器的光电响应标定方法。搭建基于CCD测量法的激光光束质量测量系统,建立高斯型激光光束的近远场传输模型,对激光束在传输方向上不同位置处的焦散廓形进行多次采样,利用统计学方法得到CCD的光电响应线性区间。仿真和实验结果表明:利用CCD光电响应特性的标定结果对图像进行非线性灰度修正,对比国际标准激光光束质量分析仪,所测得的激光光束质量M2因子更加准确且相对误差降低了2.36%。提出的方法可有效提高激光光束质量M2因子的测量精度,对于评价激光光束质量具有重要的应用价值。     

考虑像差影响的透射式光学系统失调校正方法

随着高分辨力光学系统应用领域的不断拓展,光学元件的高精度装配要求和高精度的设计要求一样,已成为光学系统分辨力的决定性因素。现有的高斯光学校正方法仅考虑物像位置关系的调整,已不能满足光学系统的调整要求,光学仪器的调整理论需要同步发展。考虑像差对光学系统失调的影响,提出了一种基于像差理论的(透射式)光学系统失调校正方法:分析了单透镜轴向位移引起的像差变化规律,给出了像差影响系数的定义;在此基础上,通过反演计算像面位置误差和放大率误差所需的透镜调整量,数学推导出了基于像差约束条件的光学系统失调校正公式。以三透镜准直系统为例进行了仿真实验验证,证明了将像差约束引导到校正方法中,能够同时满足高斯光学特性的要求和像差增量最小的要求。