1 四川大学 电子信息学院，四川 成都 610065
2 西南技术物理研究所，四川 成都 610041
在面阵扫描成像激光雷达中，阵列光束照明与棱镜扫描相结合实现了高能量利用率、高分辨率和宽探测视场，但阵列子光束倾斜入射棱镜，破坏了光束传输的旋转对称性，棱镜对子光束偏转能力存在差异，规则光束阵列产生了形状畸变，导致光束指向误差，影响点云位置精度。首先，将阵列光束与棱镜结合的圆锥扫描方式分解为多角度入射多波束并行扫描，通过所有子光束的传输特征来综合表征阵列光束传输特征；然后，采用三维矢量光学方法推导了阵列光束在棱镜中的传输过程，建立了子光束指向变化与棱镜扫描角度的关系；最后，通过对机载激光雷达棱镜扫描成像过程的数值仿真，建立了光束指向变化与点云数据质量的联系。仿真结果表明：阵列光束(3×3)棱镜扫描系统在航高0.5 km时，光束阵列畸变导致平面误差RMS约为5 cm，并随航高呈线性变化；斜率约为0.1 m/km，并随着阵列光束规模和子光束角间距增加点云平面精度随之下降。通过对棱镜扫描过程中光束阵列畸变规律掌握，为后续机载飞行试验数据的校正、阵列光束结合多棱镜扫描系统的设计提供了基础。
机载激光成像雷达 阵列光束 棱镜扫描 指向误差 点云精度 airborne imaging lidar array beam prism scanning pointing error point cloud accuracy 红外与激光工程
2023, 52(5): 20220689
强激光与粒子束
2023, 35(4): 041007
1 中国科学院上海光学精密机械研究所上海市全固态激光器与应用技术重点实验室, 上海 201800
2 中国科学院大学材料与光电研究中心, 北京 100049
3 哈尔滨工业大学物理学院, 黑龙江 哈尔滨 150006
研究了高功率激光在封闭通道传输时,空气吸收激光能量引发的浮力对流对热晕效应的影响。建立了浮力对流下热晕效应的物理模型,采用数值计算方法分析了热传导和对流传热这两种影响光束质量的因素,发现浮力对流对封闭通道内热晕效应有削弱作用,并且会造成光束质心漂移。研究了不同排布方式下阵列光束的远场光斑形状、光束质量和光斑质心漂移。结果表明,阵列光束间相互作用下的浮力对流更强,对热晕效应的削弱作用更强,不同排布方式下不同位置处光束的情况不同,通过选择合适的排布方式可以找到优化的光束质量和质心漂移。验证了利用轴向风可以抑制热晕效应的方法,结果表明浮力对流的存在会促进热晕效应的减弱,当轴向风逐渐增大时,热晕逐渐被抑制,浮力对流的影响逐渐消失。
激光光学 激光传输 热晕 浮力对流 阵列光束
华北光电技术研究所 固体激光技术重点实验室, 北京 100015
针对现有激光三维成像中使用的面阵APD探测器相邻像元间隔较大, 导致激光利用率低从而影响探测距离的缺点, 提出阵列分束激光三维成像技术。该技术对激光发射源采用液晶空间光调制器进行衍射阵列分束, 将一束激光分成与阵列APD探测器相应的阵列子光束, 调整激光发射子光束和阵列APD探测器的位置, 使得子光束照射目标后聚焦到阵列APD探测器的像元上, 提高了整束激光的利用效率。介绍了阵列分束激光三维成像技术系统组成和工作原理, 提出采用液晶空间光调制器的方法实现阵列分束的方案, 研制了阵列分束激光三维成像原理样机, 利用研制的原理样机对采用阵列分束后的效果进行了验证。实验结果表明, 采用该技术后, 采用峰值功率10 kW、脉宽8 ns的激光源, 填充因子2/3的8×8 APD, 三维成像作用距离达到510 m, 同等条件下与不分束相比, 作用距离提升39.1%。
阵列分束 激光三维成像 空间光控制器 面阵APD探测器 array beam laser 3D imaging spatial light modulator array APD detector 红外与激光工程
2019, 48(6): 0606001
1 内江师范学院 工程技术学院， 四川 内江 641112
2 四川工商职业技术学院， 四川 都江堰 611830
3 四川大学 激光物理与化学研究所， 成都 610064
推导出相干和非相干非傍轴径向阵列高斯激光束的传输公式，并用以研究了径向阵列光束在自由空间的传输特性，重点分析了阵列光束参量对合成光束光强分布的影响。结果表明：阵列半径与束腰宽度之比是一个关键参量，当它固定时，相干和非相干合成光束的光强分布都保持不变，但合成光束的光强分布和远场轴上光强最大值都与合成方式有关。
非傍轴径向阵列光束 初始位相分布 相干和非相干合成 阵列半径与束腰宽度比 nonparaxial radial array beam initial phase distribution coherent and incoherent combinations ratio of array radius to waist width
推导出部分相干厄米高斯(H-G)列阵光束在大气湍流中等效曲率半径R的解析公式。该公式具有一般性，它可简化为几种典型特例。研究表明湍流导致光束的R减小。光强叠加时R受湍流的影响比交叉谱密度函数叠加时小。自由空间中高斯谢尔模型列阵光束和高斯列阵光束的R比部分相干H-G列阵光束的大，但受湍流的影响也更大。自由空间中单束部分相干H-G光束的R比部分相干H-G列阵光束的小，但受湍流的影响也更小。光强叠加情况下，自由空间中完全相干H-G列阵光束的R比部分相干H-G列阵光束的大，但受湍流的影响也更大。一般来说，自由空间中R越大其受湍流影响也越大。因此，当光束传输到一定距离之后，湍流使得原来在自由空间中较大的R变小，而较小的R变大。
大气光学 等效曲率半径 解析研究方法 大气湍流 部分相干厄米高斯列阵光束 列阵光束的叠加方式 中国激光
2011, 38(s1): s102003
推导出矩形分布高斯-谢尔模型（GSM）列阵光束通过湍流大气传输的等效曲率半径的解析表达式。研究表明，等效曲率半径由湍流强度、GSM列阵光束参数及光束的叠加方式等因素共同确定。湍流使得等效曲率半径减小，但湍流对交叉谱密度函数叠加时等效曲率半径的影响要比光强叠加时大。在自由空间中，交叉谱密度函数叠加时GSM列阵光束的等效曲率半径要比光强叠加时的大。但是，随着湍流的增强，交叉谱密度函数叠加时GSM列阵光束的等效曲率半径可以大于、等于或小于光强叠加时的等效曲率半径。此外，若光束相干参数和子光束数目越大，则等效曲率半径受湍流的影响越大。GSM列阵光束的等效曲率半径受湍流的影响比高斯列阵光束要小。
等效曲率半径 矩形分布高斯-谢尔模型列阵光束 大气湍流 交叉谱密度函数叠加 光强叠加 effective radius of curvature rectangular Gaussian Schell-model array beam atmospheric turbulence superposition of the cross-spectral density functi superposition of the intensity
基于广义惠更斯菲涅耳原理，采用Rytov相位结构函数二次近似和积分变换技术，推导出了部分相干双曲余弦高斯（ChG）阵列光束通过大气湍流传输时光束湍流距离的表达式。研究结果表明，部分相干ChG阵列光束的湍流距离与大气湍流强度、光束参数（包括子光束数、光束相干参数、离心参数、相对子光束间距）以及光束叠加方式（即交叉谱密度函数叠加和光强叠加）等有关。部分相干ChG阵列光束的光束扩展会随着大气湍流强度的增大而增大，但当选择合适的光束参数以及光束叠加方式时，可以减小湍流对部分相干ChG阵列光束扩展的影响。
大气光学 湍流距离 部分相干双曲余弦高斯阵列光束 二次近似 二阶矩束宽
根据广义惠更斯-菲涅尔衍射积分方法, 推导出按矩形方式排布的部分相干高斯-谢尔模型阵列光束的光谱传输公式, 定量分析了部分相干高斯-谢尔模型阵列光束在自由空间传输时轴上和离轴相对谱移的变化, 并详细讨论了阵列参数和子光束的空间相干参数对相对谱移的影响。结果表明, 部分相干高斯-谢尔模型阵列光束通过自由空间传输后, 其相对谱移与光源处的谱密度、子光束的空间相干参数以及子光束数目和子光束间距等阵列参数有关, 其中, 阵列参数对相对谱移的影响非常显著。
高斯-谢尔模型 矩形阵列光束 谱移 阵列参数 Gaussian-Schell model rectangular array beams spectral shift array beam parameters
四川大学 激光物理与化学研究所, 成都 610064
推导出有初始相位分布的径向洛伦兹阵列光束在自由空间传输的解析公式, 用以研究相干合成光束在自由空间的传输特性。结果表明:在远场, 具有不同相位分布的光束光强剖面成为空心形状, 具有相同相位分布的光束光强剖面中心为亮斑。合成光束束宽和桶中功率与子光束束腰宽度、径向阵列的初始相位分布和半径有关。对所得结果用数值计算例做了说明。当阵列半径较大和束腰宽度较小时, 具有不同相位分布和相同相位的光束束宽随传输距离的变化曲线和桶中功率都趋于一致。
径向阵列光束 洛伦兹光束 自由空间传输 束宽 桶中功率 radial array beam Lorentz beam free space propagation beam width power in the bucket
