1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033
2 激光与物质相互作用国家重点实验室，吉林 长春 130033
本文对激光空间合束主镜进行优化设计与分析，以抑制强激光空间合束系统主镜热畸变，提高主镜面形精度。首先，对比分析了选择不同材料作为主镜基底的优缺点，从理论上初步确定了主镜材料、镜体厚度、支撑方式和轻量化结构形式；然后，利用有限元方法对空间合束主镜进行了热畸变分析，并结合热畸变结果对镜体结构形式进行拓扑优化设计；最后，对主镜进行重力、环境适应性和基频分析，验证设计的合理性。分析结果表明：6光合束主镜在单束10 kW激光辐照下，随着辐照时间的增加，镜面温升值和P-V值逐渐增大；辐照3 min后初设计主镜表面温度达83.4 ℃，P-V值为155 nm，受镜体结构影响，辐照区内热畸变值不一致，差值约占镜面P-V值的1/6；为改善热畸变的不一致性，提高镜体强度，对主镜进行拓扑优化设计，优化后主镜轻量化达54.5%，辐照区热畸变一致性好，镜面热畸变量减小了近1/3；不同俯仰姿态下，主镜重力变形值基本相同，不足10 nm；环境温度的改变会引起主镜的镜面畸变和平移，稳态温差值越大，主镜面形P-V值和镜面平移量越大；模态分析显示主镜基频满足系统要求。本文研究结果将对激光空间合束系统的设计提供依据。
大功率激光 空间合束 主镜 激光热畸变 轻量化设计 high power laser incoherent combining primary mirror laser thermal deformation light weight
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所激光与物质相互作用国家重点实验室， 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学，北京 100049
在Collins公式基础上，将像差项用Zernike多项式展开后加入衍射积分，获取实际激光光束通过光学系统后的光强分布。对相关理论进行仿真，验证了理论的正确性。同时针对实际激光聚焦光学系统，从统计规律角度分析了系统公差引入对Gaussian光束聚焦光斑带来的影响。计算结果表明聚焦光斑总体随波像差RMS值增大而增大，不同像差分布形式对聚焦光斑特性影响较大。未分配系统公差时，激光聚焦光斑半径为1.520 mm；引入系统公差后，聚焦光斑半径有90%概率小于2.085 mm，平均值为1.700 mm，标准偏差为0.238 mm。
公差像差 Collins公式 Zernike多项式 Gaussian光束 tolerance aberration Collins formula Zernike polynomial Gaussian beam
中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所 激光与物质相互作用国家重点实验室, 吉林 长春 130033
提出了采用激光外差技术探测振动目标, 获取目标多普勒频谱图像, 实现目标轮廓识别的方法。基于相位变化给出了目标振动形成外差信号的光电流模型; 用扫描振镜控制激光光束方向实现对目标点扫描; 通过振镜驱动电压触发数据采集卡, 实现扫描与采集同步。利用频谱展宽占有比例的信号处理方式处理振动目标形成的多普勒频谱, 简化了数据处理方式, 有效消除了单个峰值噪声对信号的影响。实验中以5 MHz采样率测得两个目标在不同位置的特征频谱, 得到了它的频谱展宽占有比例曲线; 选取不同频谱展宽占有比例形成多普勒频谱图像, 指出频谱展宽占有比例在0.7到09时能够形成良好的振动图像。文中结果证实了利用频谱展宽占有比例的数据处理方式探测振动目标是有效的, 利用外差技术获取振动频谱图像是可行的。
激光外差探测 振动目标探测 多普勒频谱成像 目标识别 laser heterodyne detection vibrating target detection Doppler spectrum imaging target recognition
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所激光与物质相互作用国家重点实验室, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
提出了坐标可缩放的激光传输角谱算法,用于评估激光光学系统性能并分析其系统公差.考虑Collins公式可用于计算激光光束在光学系统中的衍射传输过程,对该积分公式进行了坐标代换,将衍射积分公式转换为角谱传输过程,并引入坐标缩放因子,实现了目标面尺寸的自由选择,提高了激光传输计算的准确性.设计了一套激光传输系统,定义占有86.5%桶中功率的光斑尺寸为光斑半径,用提出的算法对激光光束传输公差进行了分析.分析表明:作用距离为90 m 时,焦面激光光斑的半径为0.8~1.4 mm,期望值为0.92 mm,实验测量值为1.01 mm;作用距离为49 m时,焦面激光光斑的半径为0.42~0.73 mm,期望值为0.48 mm,实验测量值为0.46 mm,实验结果与公差分析相符.另外,通过公差分析验证了激光光束在光学系统中的焦移现象.由角谱法对激光传输系统的理论分析与实验结果相符,证明了该方法用于激光聚焦光学系统设计的可行性.
激光光学系统 角谱传输 激光传输 Collins公式 公差分析 laser optical system angular-spectrum propagation laser propagation Collins formula tolerance analysis
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所激光与物质相互作用国家重点实验室, 吉林 长春 130033
2 中国科学院研究生院, 北京 100049
为了得到周期激光拍频信号的频率，从理论上推导了光信号相邻光子到达时间间隔满足的概率密度函数(PDF)，以数值计算为基础，对周期性激光拍频信号进行详细分析，得到了稳定光强信号和周期拍频信号光子到达时间间隔PDF曲线形状的差别，从该差别中能够获取信号的拍频频率。设计了验证实验光路系统，采用多像素光子计数器（MPPC）记录光子时间，对6、8、10、12 MHz拍频信号进行探测，证明了理论分析的正确性。在光子计数频率为拍频频率1/5的条件下，得到较好的实验结果，估计两光束混合效率为0.65。以暗计数噪声为限制条件，分析了该方法能够探测到的最小拍频频率为0.2333 MHz。
统计光学 光子到达时间间隔 拍频信号 概率密度函数 混合效率 暗计数
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所激光与物质相互作用国家重点实验室，吉林 长春 130033
2 中国科学院 研究生院，北京 100039
搭建了外差探测实验平台，分别选用漫反射目标及类简谐运动模型作匀转速运动及变速运动的测量目标，应用激光外差探测技术实现了对匀转速运动及变速运动物体的速度测量。在匀转速测量过程中，同时采用外差探测法和振幅调制法测量了漫反射目标正负两个方向转动的速度，共得到133组不同的转速结果。通过调整实验系统，亦实现了对类简谐运动目标的变速测量，应用Matlab数学工具对拍摄频谱视频做后续处理，得到了运动目标的实时速度。测试结果显示，在0.05~16 m/s测量匀转速时，正向转动平均相对误差为0.51%，负向转动平均相对误差为0.42%; 另外，变速测量的正负最大速度分别为0.555 6 m/s和-0.659 m/s。结果证明了激光外差对速度测量的高精度性，实验中频谱峰值清晰可见，说明激光外差探测具有较高信噪比。
激光外差探测 匀转速测量 变速测量 测量误差 laser heterodyne detection uniform rotation velocity measurement variable velocity measurement relative error 光学 精密工程
2011, 19(10): 2366
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所激光与物质相互作用国家重点实验室， 吉林 长春 130033
为研究激光经运动漫反射目标后光场统计的特性，结合多像素光子计数器(MPPC)的光子统计模型，并利用光子统计二阶矩和均值，得到描述光子数波动的Fano因子。然后对该因子进行曲线拟合，得到衡量赝热光场光子分布杂乱程度的热模数μ，同时可得衡量探测系统增益系数γ和串扰概率ε的组合参数B。实验结果表明，漫反射目标旋转驱动电压从20 mV逐渐变化到1280 mV，回波光子热模数μ从289增加到1229，且随着电压增大，热模数增长速率逐渐减缓。由于探测器增益γ在实验过程中保持恒定，B参数的变化直接反映探测器像素之间串扰概率的变化，结果表明漫反射目标转速增加，MPPC串扰概率ε减小，通过Fano因子的曲线拟合只给出串扰概率的定性描述，得不到增益系数的相关信息。只有对光子统计三阶矩进行分析，才能获得探测器增益及串扰概率的定量描述。
探测器 多像素光子计数器 赝热光 Fano因子 增益系数 串扰概率 中国激光
2011, 38(10): 1008010
