激光束的传输规律
王佳威
北京工业大学 应用数理学院 000611班
指导教师：俞宽新
摘要 从激光器输出的光束称为高斯光束，它有许多与其它光束，如平面波、球面波不同的特点，研究其传输规律，特别是通过透镜时的变化规律，将为激光束的聚焦和准直技术打下良好基础。 关键词 激光束，传输，q 参数
一、激光束的基本性质
使用稳定的球面腔的激光器所发出的基模激光将以高斯光束的形式在空间传播。本部分主要研究高斯光束的传输规律, 并研究简单透镜系统对高斯光束的变换。这些都是激光原理与实际应用中经常遇到的具有实际意义的问题。无论是方形镜共焦腔还是圆形镜共焦腔,他们所激发的基模行波场都是一样的,由于其横向振幅分布为高斯函数, 所以称之为基模高斯光束, 或简称为高斯光束。射Z 坐标原点在光束的腰处, w0为高斯光束的腰斑半径,?为产生高斯光束的共焦腔焦参数。高斯光束的解析表达式如下:
()22221202()()0,,()x y x x y i k z tg R z f w z w E x y z E e e w z ?????+??+?+?????????????=? （1） 式中,R(z),w(z)分别表示z 坐标处高斯光束的等相位面曲率半径及等相位面上的光斑半径。
1、光斑半径
高斯光束在任意z 坐标处,其横向振幅分布为高斯分布,光斑半径随z 坐标而变,在z=0处,w(0)=w0为腰斑半径。
2、等相位面分布
沿高斯光束轴线每一点处的等相位面都可以视为球面,曲率半径也随z
坐标而变,即:
()w z w w == 在z = 0及z =∞处, R(0)与R(∞)都为∞,
表明在高斯光束腰处及无穷远处的等相位
面都是平面。在z 的绝对值为?处,R(?)的
绝对值为2?,这是等相位面曲率半径数值
的极小值。当z >0时,R(z)>0,等相位面凸
向z 轴正方向。当z <0时,R(z)<0,等相位
面凸向z 轴负方向。图1中画出了五个位
于z >0范围内的等相位面及其曲率中心的
位置示意图。其中面1在z =0处,中心则
在z = -∞处;面2在0 处。 图1 高斯光束的等相为曲面 3、激光束的特征参数 为了描述高斯光束,需要用一些特征参数。这些参数具有这样的性质,一旦参数的数值给定,高斯光束的结构及位置也就确定。下面介绍三组不同的特征参数。 第一组为腰斑w0与腰的位置,从上面的内容不难看出,只要给定腰斑半径W0,整个光束的结构就随之确定,如与腰相距z 距离处的光斑半径、等相位面曲率半径、该处相对于腰的相位滞后以及整个光束的发散角等都可以确定。所以, 用w0加上腰位置可以作为一组高斯光束的特征参数。 另外,任意坐标z 处的光斑半径w(z)及等相面曲率半径R(z)也可作为高斯光束的特征参数。 最后用w(z)与R(z)可以定义一个新的参数,我们称之为q 参数,一旦给定q 参数,w(z)与R(z)便可确定。因此,用q 参数也可作为高斯光束的特征参数。我们可以得到q 参数的一个重要结论,即腰处的q 参数为: 2 00(0)w q q i if π===λ （3） 用q 参数表示高斯光束的解析表达式，可写为： ()1222()00,,()x f x y i kz tg ik q z w E x y z E e e w z ???????+????????????=? （4） 上述三组特征参数各具特点，使用时，要根据实际问题的需要灵活选择。 二、激光束的传输规律 用q 参数来描述高斯光束的,我们可以证明它通过自由空间L 距离和通过焦距为F 的薄透镜时,其传输规律可统一写为: 121()()()A R z B R z C R z D +=+ （5） 其中为光学系统的光学变换矩阵。先来看高斯光束通过自由空间L 距 AB CD ????? ? 离。将条件代入q 参数定义式,经计算后,可以得到: 0()q z q z =+ z q z z z q z L =+?=+ （6） q0为腰处(z=0)的q 参数。设想一下高斯光束沿z 轴传播, 从z1坐标经L 距离到达z2坐标, 则q 参数的传输规律为: q 21211()()()() （7） 式中 q1(z)=q(z1)为z1处的q 参数，q2(z)=q(z2)为z2处的q 参数。 来看看高斯光束通过焦距为F 的薄透镜式的情况。图2所示为激光束通过透镜时的变换，M1 为高斯光束入射到透镜表面上时的等相位面,它 是个球面,曲率半径为R1。通过透镜后,它被变成 另一球面的等相位面M2而出射。M2的曲率半径为 R2。R1、R2与透镜焦距F 的关系是: 图2 透镜对激光束的变换 21111R R F =? （8） 由于透镜很薄, 所以可以认为, 在挨近透镜两侧的等相位面M1与M2上的光斑大小及光强分布都 应该一样。以w1及w2分别表示M1和M2上的光斑半径, 则有: （9） 1w w =2过了透镜后, 得到的是另一个具有球面形状的等相位面, 并在等相面上为高斯型强度分布的光波。这样, 在透镜像方继续传输的光束仍为高斯光束。用q1(z)表示入射光束在透镜表面处的q 参数, q2(z)为出射光束在透镜表面处的q 参数。利用上面两个公式, 我们有: 22222111111111()i i q R w R F w q z F ππλλ??=?=??=????? （10） 从公式中可见, 高斯光束的q 参数传输规律与普通球面波的R 参数传输规律完全一样, 故q 参数也遵行ABCD 规律。这一规律的优点是, 只要知道了光学系统的变换矩阵, 就可以求出通过光学系统以后的高斯光束q 参数, 并且可求出光束的光斑大小及等相位面曲率半径。 参考文献 （1）激光原理与技术，俞宽新，北京工业大学出版社，1998年3月 （2）激光原理，周炳琨，国防工业出版社，2004年8月 （3）激光原理，陈钰清，浙江大学出版社，1992年5月 （4）激光原理基础，王喜山，山东科学技术出版社 1979年12月 （5）激光技术，蓝信钜，科学出版社，2000年8月 <> 全部作者： 白林董健业 第1作者单位： 北京邮电大学电子工程学院 论文摘要： 本文讨论了激光大气传输的理论模型，然后给出了仿真系统设计方案。理论模型主要基于布格定律以及散射理论，仿真系统主要分为3个模块即用于参数设定的界面，仿真计算，仿真绘图。 关键词： 激光大气传输仿真系统(浏览全文) 发表日期： 2008年03月17日 同行评议： 该文给出了1个考虑散射和温度场梯度等激光大气传输系统仿真设计的框架，对光束在大气中传输仿真有1定的参考价值，但没有具体的仿真实例，另外对大气随机扰动（如热场扰动）如何进行修改?建议补充1个具体实例加已说明验证。 综合评价： 修改稿： 注：同行评议是由特聘的同行专家给出的评审意见，综合评价是综合专家对论文各要素的评议得出的数值，以1至5颗星显示。 <> 1.绪论 1.1研究背景 网络被认为是互联网发展的第三阶段。网络的设计和实施能够带来切身实际的利益，城域网、企业网、局域网、家庭网和个人网络都是网络发展的体现。网络发明的初衷并不仅仅是表现在它的规模上，而是互联互通，资源共享，消除资源访问的壁垒，让生活更加方便、快捷、高效。随着网络技术的发展，网络在应用方面也体现出了很大的潜力，能够共享和调度成千上万的计算设备协同并发工作，能汇聚数百万计的信息资源加以归类、分析和发布，还可以让世界每一个角落的人们实时沟通交流。在现代高速发展的社会里，企业与企业之间的联系日益密切，大量的、复杂的信息交流显得由为重要。随着电子科技的高速发展，那些如何复杂大量的信息，通过网络技术帮助下，就可以轻而易举的从某一地方传送到另一地方，而且简单、快速、准确，给人们带来了很大的方便。而在现代企业中，网络技术在管理中的应用，已显得举足轻重。随着企业信息化进程的进一步深入和发展，计算机在企业中的应用越来越广泛，而企业对计算机的依赖越来越强。随着网络应用的日益丰富以及人们在日常生活中对网络依赖的日渐紧密，那么对于网络吞吐量，网络延时，网络链路的稳定性以及网络服务的多样性就会产生新的要求，同时也希望网络应用的花销能更加低廉，这样针对电信网络运营商所提供的服务将会产生巨大的挑战，本实时通信系统的成功应用将会给运营商们提供更加方便，快捷，稳定，并且低廉的网络运营成本，本实时通信系统帮助企业实现巨大的商业价值的同时也为用户带来的更加高效，快速，稳定并且廉价的网络服务资源。 1.2 选题理论 更多文章 https://www.doczj.com/doc/be17377978.html,/ mxdwk <> 光学软件设计 实验报告： 基于ZEMAX的激光扩束镜的优化设计 姓名： 学号：2011146211 一、实验目的 学会使用ZEMAX软件对多重结构配置的激光束扩大器进行优化设计。 二、实验要求 1、掌握使用多重结构配置。 2、进一步学习构建优化函数。 三、实验内容 设计一个激光扩束器，使用的波长为1.053um，输入光束直径为100mm，输出光束的直径为20mm，且输入光束和输出光束平行。要求只使用两片镜片，设计必须是伽利略式的（没有内部焦点），在镜片之间的间隔必须不超过250mm，只许使用1片非球面，系统必须在波长为0.6328um时测试。 1、打开ZEMAX软件，关闭默认的上一个设计结果，然后新建一个空白透镜。 2、在IMA面（像平面）前使用insert插入4个面，输入相关各面的厚度、曲率半径和玻璃类型值。 3、点击Gen设置入瞳直径为100，点击Wav设置波长为 1.053微米。 4、在主菜单Editors里构建一个优化函数，将第一行操作数类型改为REAY，surf输入5，Py输入1，taiget输入10，weight输入1。 5、在评价函数编辑窗中选工具—默认优化函数。选reset，将“开始在”的值设置为2， 确定。 6、点击Opt进行优化，优化后生产OPD图。 7、将第一面的conic设置为变量（control+z）。再次进行优化，重新生产OPD图并观察。 8、将三个曲率和圆锥西数的变量状态去掉。 9、点击Wav重新配置光波长，将之前的1.053改为0.6328，确定后再次更新OPD图并分析。 10、将第二面的厚度250mm设为可变，然后再次点击Opt优化，重新生成OPD图。此时去掉第二面的可变状态。 11、从主菜单—编辑中调出多重结构编辑窗，在这个窗口的编辑菜单中选“插入结构”来插入一个新的结构配置，双击第一行第一列，从下拉框中选wave，在同样的对话框里为wavelength选择1，确定。在config1下输入 1.053，在config2下输入0.6328。 激光扩束望远镜设计 一、 项目研究背景 在激光发射系统中，为了增大激光平行度作用距离，要求减小光束的发散角.这样才更大的范围内激光都可以保持较好的线性度。因此，在发射系统中常采用扩束望远镜来扩展激光光束，达到系统的准直性要求。而与一般的发射系统相比，强脉冲激光发射系统对光学系统的整体性能提出了更高的要求，不仅要求光学系统的准直性好，而且要求整个光学系统具有高抗光损阔值、高反射率、热变形小等特点.此外，在实际应用中还要求目标距离处的光斑尺寸具有可调节性，因此该种激光发射系统在理论设计与实际工程监理方面都面临着极大的考验。 二、 项目研究内容 1、望远镜系统激光扩束原理 激光扩束器的设计中常采用倒置的望远镜系统，高斯光束通过望远镜系统的变换矩阵为 11221M l f f f M f ττ???+ ? ? ???-+ ??? 式中12,f f 分别表示两镜的焦距，两镜间距 12l f f =++?，其中?表示失调量，2 1f M f τ=-为放大镜的放大率。 设入射光束束腰为0w ，焦参数为 20w f πλ=，物距为s ，经望远镜系统后变为束腰为'0w ，像距为' s 的高斯光束。 其中对于调焦系统有： 2' 12()s M f f M s ττ=-+- '00 w M w τ= 远场发散角0θ与束腰0w 间有反比关系，即 02011M τθθ=，远场发散角被压缩M τ倍，且与物距和像距均无关。当1s f =时，'2s f =，即像方激光束腰位于第二透镜2 L 的后 焦面上；当12s f f >>+时，'2s M s τ≈-，该望远镜系统的扩束比'00w M M w τ==。 2、几种激光扩束望远镜的性能分析 2.1折射式扩柬组远镜系统 使用透镜作物镜的望远系统称为折射式望远镜，根据不同的目镜类型可分为伽利略望远镜系统和开普勒望远镜系统。 伽利略望远镜系统具有结构简单、筒长短、等优点，但是其局限性在于不能容纳空间滤波或进行大倍率的扩束，因此其应用领域受到了比较大的限制。而开普勒望远镜系统可以配合空间滤波片使用，使非对称光束分布变为对称分布，并可使激光能量分布得更加均匀，但是建造成本相比于伽利略望远镜也有所提升。 2.2反射式扩束望远镜系统 反射式望远镜系统是指用凹面反射镜作物镜的望远镜系统，与折射式望远镜系统相比具有大口径、无色差、传输效率高等优点，已得到广泛的应用.在激光扩束器设计和制造中应用较广的有无焦格里格利系统和无焦卡塞格林系统 反射式望远镜系统在光学性能方面的最大缺点是存在较为严重的像差，因此在实际使用中必须应用非球面的不同组合，实现不同的消像差能力，激光扩束望远镜中最常用的是抛物面。 3、设计指标 强脉冲激光发射系统的工作波长为10.6m λμ=，入射光束口径050D mm ≤， 要求出射光束口径200D mm =，在距离激光器100m 范围内，激光光束的口径250D mm ≤，在100m 的目标距离处光斑大小具有一定的可调节性。 大气激光通信系统的研究 摘要：激光信息在大气中传输是目前大气光学领域最为活跃的研究热点之一。 由于激光本身所具有的高强度、高相干性、高单色性和高方向性等特性，从而有容量大、波束窄、速度快、保密性好和抗干扰性强等优点，因此激光成为无线光通信中最理想的载体。 本文概述了大气激光通信的基本原理及发展状况，介绍了其特点和用途。并以一种新型的具有以太网接口，能实现计算机间通信的大气激光通信系统（既可传输语音又可传输数据）为例，结合实验研究对发射端机和接收端机两大部分进行了阐述。 并针对大气无线激光通信系统，本文深入地研究了大气湍流信道中随机光 强信号的检测方法，对激光束在大气湍流信道中的传输进行了仿真和建模，并对实际的大气湍流信道进行了测量。 关键词：大气激光通信光发射端机光接收端机损耗特性激光器 一．激光通信的概述 1960年激光的出现极大地促进了许多学科的发展，其中也包括通信领域激光以其良好的方向性、相干性及高亮度性等特点成为光通信的理想光源。将激光应用于通信，掀开了现代光通信史上崭新的一页，成为当今信息传递的主力军。 激光通信是以激光光束作为信息载体的一种通信方式，和传统的电通信一样，它可分为有线激光通信和无线激光通信两种形式。其中，有线激光通信就是近年来发展迅猛的光纤通信。无线激光通信也可称为自由空间激光通信，它直接利用激光在大气或太空中进行信号传递，可进行语音、数据、电视、多媒体图像等信号的高速双向传递。这是目前国际上的一大研究热点，世界上各主要技术强国正投入大量的人力物力来抢占这一领域的技术优势。根据使用情况，无线激光通信可分为:点对点、点对多点、环形或网络状通信。在本文中，我们主要研究的是点对点的通信。此外，根据传输信道的不同，无线激光通信又可分为:大气激光通信、星际(深空)激光通信和水下激光通信川。 大气激光通信是自由空间激光通信的一个分支，它以近地面大气作为传输媒介，是激光出现后最先研制的一种通信方式。大气激光通信系统主要由光源、调制器、光发射机、光接收机及附加的电信发送和接收设备等组成，只要相互进行瞄准即可进行通信。根据所用光源的不同，大气激光通信系统大致可分为半导体激光通信系统、气体激光通信系统和固体激光通信系统。半导体激光器体积小，重量轻，灵活方便，但光束发散角稍大，适合于近地面的短距离通信。气体激光通信系统的体积和重量都较大，但其通信容量也大，光束发散角较小，适合于卫星间的通信和定点之间的大容量通信。因此，在实践中，根据通信系统在不同应用场合中的要求，合理选取光源。 大气激光通信系统的主要应用和优点 激光通信的应用 1． 激光的定义：由受激发射的光放大产生的辐射。 2． 激光通信： 定义1：利用激光进行信息传递的通信。 定义2：利用激光传输信息的通信方式。按传输媒介的不同，可分为大气激光通信和光纤通信。 3． 激光通信的原理： 无线激光通信设备的激光通信终端每一侧分别包括专用望远物镜(Telescope)、激光收发器部分、线路接口、电源、机械支架，部分厂商的设备还包括伺服、监控、远程管理等部分。 激光是一种光波，也具有电磁波的性质。然而。激光与一般的无线电波又有明显的不同，激光的频率为几亿兆周，是微波（超高频电磁波）频率的10万倍以上。由波长 与波速C及频率 的关系式 可知，激光的波长非常短，所以其波动性远比无线电波差。相反，激光却具有奇特的粒 子性，因而使它在军事通信中成为引人注目的“后起之秀”。 激光通信与无线电通信基本相似，在发送端用激光器发出的激光作为载波。话音信号通过发话器变为电信号送入调制器，调制器控制载波的某个参数（频率、振幅或相位）使其按话音的变化把话音信号寄载在激光光波上，通过发射望远镜(也称发射天线）发送出去在媒质中传播。在接收端，接收望远镜（也称接收天线）将激光信号按发送端的逆方向转化为话音信号。 根据传输媒质的不同，激光通信可分为宇宙通信（激光在大气层以外的宇宙空间传播）、大气通信（激光在大气层以内传播）、水下通信（激光在水下传播）以及光纤通信（激光在光导纤维内传播）。四．激光通信的优缺点： 相比于微波通信等其他几种接入方式，无线激光通信主要优势包括： 1．无须授权执照 无线激光通信工作频段在365～326 THz（目前提供无线激光通信设备的厂商使用的光波长范围多在820nm～920nm），设备间无射频信号干扰，所以无需申请频率使用许可证。 2．安全保密 激光的直线定向传播方式使它的发射光束窄，方向性好, 激光光束的发散角通常都在毫弧度，甚至微弧度量级，因此具有数据传递的保密性，除非其通信链路被截断，否则数据不易外泄。 发明名称： 基于组合透镜组的光线扩束与整形系统设计 摘要 本发明涉及一种用于光束整形的光学系统，所述的光学系统包含抛物面镜，凸面镜，凹面镜，柱面镜，且系统具有光轴。利用抛物面良好的无相差特性，将光源置于抛物面的焦点上，将产生平行的入射光线，因为球面镜本身不可避免的存在球差，凸面镜产生负的球差，凹面镜产生正的球差，采用凸凹面镜胶合的方法可以消除在某个方向上消除球差，使得光束的聚焦效果更好；柱面镜仅在一个方向具有汇聚作用，类似于，用于对光束在一个方向进行压缩或扩展，采用一组正交的柱面透镜，用于实现光束不同方向的挤压。由于柱面镜不具有空间的的轴对称特性，将柱面镜旋转 角度，得到光斑也将旋转一定的角度，从而满足不同方向的光斑需求。基于各种透镜的基本作用，本文得到正方形，横矩形，竖矩形，圆形，动态倾斜，以满足不同的生产需求。 权利要求书 1.一种用于光束扩束整形的光学系统，所述光学系统包含光源，透镜组，接收器，系统 整体具有光轴，其特征在于，所述的透镜组包含： 阵列反射形抛物面，其阵列几何中心关于光轴对称，用以将点光源变为平行光束，模拟激光的准直特性。 球面凸镜和凹镜组成的胶合透镜组合，凸面镜有负的球差，凹面镜会有正的球差，利用凹面镜可以进行补偿，抵消球差，使得光束的聚焦效果更好。 柱透镜采用一组正交的空间位置组合，通过日常生活，很容易看出，柱透镜在沿母线方向没有放大率，在垂直于母线的方向，由于厚度的变化，对光线有汇聚作用，用于对光束尺寸进行以维压缩或者放大。 2.根据权利要求1所述的阵列抛物面，其特征在于，基于数学模型的创建，得到过焦点的点光源平行出射这一重要结论，用于将点光源转化为一束平行光线，且根据阵列的形状，第一次将光源从一个点调节为阵列形状。 3.根据权利要求1所述的球面凹凸镜组成的胶合子镜组，其特征在于，可以在消除轴向球差的优势下将平行光束汇聚到一点，因为球面镜的轴对称特性，可以实现以及光斑的尺寸缩放（长宽缩放比例相同），只需要将接收器置于不同的位置，根据相似原理，尺寸动态变化，用于聚焦。 4.根据权利要求1所述的柱面镜，其特征在于，是一种短焦距镜头，沿着一个方向光束尺寸不变，沿着另一个与之垂直方向，表现为光束的压缩（凸柱面镜），导致光束最终呈现形式为压缩或放大（长宽非等比例） 5.根据权利要求1所述的胶合镜组与柱面镜，其特征在于，柱面镜位于胶合透镜组后，几何距离上等于胶合组合镜与柱面镜焦距之和，但是柱面镜为短焦镜头，远小于胶合镜组焦距，可以忽略不计。 6.根据权利要求1所述的柱透镜，其特征在于，通过绕着Z轴旋转角度α，光斑也旋转α，通过柱透镜的旋转，用于实现光倾斜角度的动态变化。 激光扩束望远镜设计 一、项目研究背景在激光发射系统中，为了增大激光平行度作用距离，要求减小光束的发散角、这样才更大的范围内激光都可以保持较好的线性度。因此，在发射系统中常采用扩束望远镜来扩展激光光束，达到系统的准直性要求。而与一般的发射系统相比，强脉冲激光发射系统对光学系统的整体性能提出了更高的要求，不仅要求光学系统的准直性好，而且要求整个光学系统具有高抗光损阔值、高反射率、热变形小等特点、此外，在实际应用中还要求目标距离处的光斑尺寸具有可调节性，因此该种激光发射系统在理论设计与实际工程监理方面都面临着极大的考验。 二、项目研究内容 1、望远镜系统激光扩束原理激光扩束器的设计中常采用倒置的望远镜系统，高斯光束通过望远镜系统的变换矩阵为式中分别表示两镜的焦距，两镜间距，其中表示失调量，为放大镜的放大率。设入射光束束腰为，焦参数为，物距为s，经望远镜系统后变为束腰为，像距为的高斯光束。其中对于调焦系统有：远场发散角与束腰间有反比关系，即，远场发散角被压缩倍，且与物距和像距均无关。当时，，即像方激光束腰位于第二透镜的后焦面上；当时，，该望远镜系统的扩束比。 2、几种激光扩束望远镜的性能分析2、1折射式扩柬组远镜系统使用透镜作物镜的望远系统称为折射式望远镜，根据不同的 目镜类型可分为伽利略望远镜系统和开普勒望远镜系统。伽利略望远镜系统具有结构简单、筒长短、等优点，但是其局限性在于不能容纳空间滤波或进行大倍率的扩束，因此其应用领域受到了比较大的限制。而开普勒望远镜系统可以配合空间滤波片使用，使非对称光束分布变为对称分布，并可使激光能量分布得更加均匀，但是建造成本相比于伽利略望远镜也有所提升。2、2反射式扩束望远镜系统反射式望远镜系统是指用凹面反射镜作物镜的望远镜系统，与折射式望远镜系统相比具有大口径、无色差、传输效率高等优点，已得到广泛的应用、在激光扩束器设计和制造中应用较广的有无焦格里格利系统和无焦卡塞格林系统反射式望远镜系统在光学性能方面的最大缺点是存在较为严重的像差，因此在实际使用中必须应用非球面的不同组合，实现不同的消像差能力，激光扩束望远镜中最常用的是抛物面。 3、设计指标强脉冲激光发射系统的工作波长为，入射光束口径，要求出射光束口径，在距离激光器100m范围内，激光光束的口径，在100m的目标距离处光斑大小具有一定的可调节性。 题目：基于MATLAB的简易激光扩束系统设计 一、实习要求： 1、理解高斯光束q 参数； 2、能够熟练使用CCD 采集光强度图样并用MATLAB 分析信号； 3、学生可以讨论编写MATLAB 仿真程序； 4、能够使用MATLAB 软件分析光强图样； 二、实验仪器： 计算机、CCD 、偏振片、透镜、接收屏、氦氖激光器 三、实验原理： 1)普通球面波在自由空间的传输： 2)普通球面波通过透镜的变化规律： 3)描述高斯光束的方法 ①fz 参数：q(z)=z+if ②WR 参数: 1/q(z)=1/R(z)-i(λ/πw 2 (z)) R2=R1+L 1/R2=1/R1-1/F q 参数： z f z z R f z f z w /2^)() /2^()(+=+= π λ （f=πw 0^2 /λ） 4)gaussian beam 的复参数q 表示: 复参数q 的定义为: 1/q(z)=1/R(z)-i(λ/πw 2(z)) 将波前的曲率半径R(z)和光斑半径w(z)代入上式： ] 2)^z /2^0w (1[)(2)^2 ^w0(10)(λππλ+=+=z z R z w z w z f z z R f z f z w /2^)()/2^(/)(+=+=πλ 5)高斯光束通过薄透镜的变换 : Q1 ?? ? ???D C B A q2 高斯光束经过透镜矩阵传输方程 D Cq B Aq q ++= 112 ]202 2020 0202 02202 02)(1[])( 1[)(])(1[])(1[])( 1[)(z z z z w z z R z z z z z w w z w z w +=+=+=+=+=λππλπλ 6)双凸透镜扩束法： 设透镜的焦距为F ，物距和象距分别为s01和s02，它们之间 的关系为: 1/s01+1/s02=1/F 第2卷第6期光学与光电技术V ol. 2, No. 6 收稿日期 2004-08-31；修改稿日期 2004-10-19 作者简介蒋冰莉（1975-），女。硕士研究生。主要从事大气能见度测试仪的研究。E-mail: pop_ice@https://www.doczj.com/doc/be17377978.html, 18 光 学 与 光 电 技 术 第2卷 取决于在雾和霾中悬浮水滴的密度分布和尺寸分布，折射率及雾和霾的厚度。当激光通过时，液态球形水滴的吸收光谱是不同的。如果同时考虑吸收和散射两种衰减的作用，那么雾和霾的透射率，在任何适当的路程内都是很小的。 雨对激光传输的影响与雾霾不同，激光在雨中仍有较高的透射率，因为雨滴尺寸比激光波长大许多倍，即发生的是无选择性散射，雨滴对激光的散射与波长无关。激光在雨中的衰减系数没有太明显的规律，常用消光系数表示，且同降雨量有关： α＝0.29+53.2R －（3.20R ）2 (3) 式中：α是消光系数（dB/km ）；R 是降雨速率（mm/h ）。消光系数和降雨量的关系如图1所示。 Rainfall/(mm h ) ·-1/(d B k m ) ·-1E x t i n c t i o n c o e f f i c i e n t 图1 消光系数和降雨量的关系 Fig.1 Relationships between extinction coefficient and rainfall 2.3 大气湍流对激光传输的影响 大气湍流是大气中的大气分子团相对大气整体平均运动的一种不规则的运动。对激光传输的影响是大气分子团折射率的随机变化所致的闪烁效应引起的。在考虑大气湍流对激光传输的影响时，假设激光光束是高斯光束。大气湍流对激光光束的影响程度和效应与激光光束的直径d 和湍流的尺度L 有关。当d< 第16卷第2期强激光与粒子束Vol.16，No.2 2004年2月HIGH POWER LASER AND PARTICLE BEAMS Feb.，2004 文章编号：1001-4322（2004）02-0149-05 大气辐射传输模型的比较研究* 孙毅义，董浩，毕朝辉，李治平 （烟台大学数学与信息科学系，山东烟台264005） 摘要：讨论了三种通用的大气辐射传输模型的特点和使用限制，用辐射传输定律作了数值检验，并与实验测量资料作了比较。结果表明，氧碘激光和氟化氢泛频20P4激光谱线大气透过率的计算值与实验测量值 吻合，氟化氢泛频20P5却出现严重偏差。还研究了大气气溶胶种类对大气透过率计算和测量的严重影响。 关键词：大气传输模型；大气透过率；激光大气传输；FASCODE；MODTRAN；LOWTRAN； HITRAN 中图分类号：O438；P421 文献标识码：A 光辐射在大气中传输受到大气吸收和散射的影响，使到达接收系统的光辐射能量减弱，同时光辐射也携带了大气本身的信息。根据不同的应用目的，人们将把辐射源的波长选择在“大气窗口”以增加到达接收系统的能量，或选择在特定分子成分的吸收峰附近以测量传输路径上这类分子成分的含量。尽管应用目的不同，它们都需要定量地求得测量时刻的大气透过率和辐射效应，正确地解释观测（遥感）资料。为此，大气传输模型一直为光电测量系统的设计人员和一些与地球大气中辐射传输有关的研究（如环境监测、气候学、气象学、激光传输及红外成像技术）所关注，光辐射大气传输模型的研究和应用越来越受到重视。经过大量大气科学工作者三十多年的努力，已经成功地开发并建立了宽、窄光谱带和逐个光谱线计算的大气辐射传输模型，这些传输模型包括多种观测方式，适用于非常宽的电磁波谱范围及多种可变气象要素。这些实用的大气传输模型对主动或被动型目标辐射传输及背景辐射的计算有着十分重要的应用价值。 本文将简要地介绍目前比较通用的大气辐射传输模型LOWTRAN［1］，MODTRAN［2］和FASCODE［3］的共同特点和主要差异，用辐射传输中常用的Beer定律检验大气辐射传输模型，给出高分辨率大气辐射传输模型对某些具有应用价值的化学激光大气传输的计算结果，并与已发表的实验观测资料相比较。希望通过介绍和结果的比较，使一些非大气传输专业的光电设计工程技术人员能够正确选择和使用大气辐射传输模型，有助于光电系统的设计和仿真，并能正确地定量解释实际大气环境中观测（遥感）到的资料。 1 三种大气辐射传输模型的共同特点和主要差别 LOWTRAN，MODTRAN和FASCODE都是由美国空军地球物理实验室（AFGL）根据不同的应用目的而开发和研制的宽带、窄带和逐线计算的大气辐射传输模型及其相应的应用软件。它们之间相互借鉴，取长补短，具有一组共享的公共模块，在编程时如同拼积木似的互相调用，这样也便于互相比较。 这三个大气辐射传输模型具有如下共同的特点：它们都可以在非常宽的电磁波谱范围（0～50000cm-1，0.2μm～∞）内使用，都涉及了复杂大气条件下多种辐射传输量的计算。在这些计算模型中都包括了1976年美国标准大气作为高度函数的温度、压力、密度以及水汽、臭氧、甲烷、一氧化碳和一氧化二氮等30种气体混合比的六种参考模型大气，这些大气模型适合气候学选择的范围。同时还可以根据理论计算或实测资料，由用户自行定义模型大气，使这个模型在特定环境下仿真和使用显得特别灵活。此外，在这些传输模型实用程序中包括了具有代表性的大气、气溶胶、云和雨的模型，这些复杂的天气环境使它们具有更广泛的应用。模型还包括了水平、垂直、倾斜向上和向下传输等各种复杂的几何关系，在计算大气倾斜路径及沿着传输路径衰减量时，都考虑了大气折射和地球的曲率。 这些辐射传输模型都利用了HITRAN［4，5］数据库中的基本分子常数，然而，它们采取了各不相同的处置方法把这些常数换算成透过率和辐射度，显然，这些辐射传输模型具有不同的精确性。下面我们将讨论这些模型在应用这个信息时所采取的不同方法。 *收稿日期：2003-05-30；修订日期：2003-08-18 作者简介：孙毅义（1937—），男，研究员，从事大气光学（激光传输）和卫星遥感资料定量化研究；E-mail：ies@https://www.doczj.com/doc/be17377978.html, 强激光与粒子束#$%&!"!’$&()! !第!"卷!增!刊 !*))+年,月-./-0123456(346’70648.953:36;(6<=&!*))+!文章编号!!!))!>,?**"*))+#()>)!??>)+ 高平均功率固体激光及其大气传输" 强希文 "中国人民解放军O?O++部队!新疆马兰@,!"))# !!摘!要!!固体激光器是一种具有重要应用背景的高功率激光器!对包括激光波长$光束发射口径$发射功 率$光束质量等在内的激光器参数的选择进行了分析!研究了大气介质的光学性质$激光大气传输效应以及激 光辐射与靶目标的耦合机制与耦合效率等因素的影响%相关结果表明!))Y2的固体激光器的综合效能可与 *%?倍平均输出功率的7D化学激光器相当!这说明高平均功率固体激光器是一种具有潜在优势和良好发展 前景的高功率激光器% !!关键词!!激光技术&!固体激光&!高功率激光&!激光大气传输 !!中图分类号!!1,?"&8’*,!!!!!文献标识码!!6 !!电驱动的高平均功率固体激光器"((5#与化学激光器相比!由于不使用化学物质!所以没有废气排出!而且不需要特别的保障条件!只需要利用车载发动机即可保证其正常工作&另外!由于它不产生高温及烟雾!同时系统运行时无噪音!仅受车载电源及驱动系统的限制!所以高功率固体激光器具有化学激光器无法比拟的优势%现有的实验已经证实利用热容方式运行的固体激光器!其平均功率可超过!)Y2!而且有望在将来达到!))Y2’!!*(%目前!已经开始了!))Y2热容固体激光器的概念设计!它可以对所感兴趣的靶目标形成显著的破坏!所以!!))Y2已经作为固体激光器系统及其对靶目标形成破坏的功率标准%另外!热容固体激光器具有较高的功率质量比!这在系统的小型化方面具有无可比拟的优势!而且便于机动化% !!选择固体激光器的一个重要问题是其到达目标处的平均功率为多大%由于这不但涉及到激光器系统的性能!包括光束发射功率$光束质量$光束发射口径$激光波长等!而且与其传输的大气介质的光学性质$激光大气传输效应以及激光辐射与靶目标的耦合机制与耦合效率等因素密切相关%所以!需要对以上因素进行综合考虑%本文对影响高平均功率固体激光大气传输的相关参数进行了探讨!并根据国外有关文献!讨论这些参数对!&)O"J的固体激光与?&@"J的7D化学激光大气传输的影响效果% $!激光器系统参数设计 $&$!激光器的波长选择 !!高平均功率固体脉冲激光器是基于在固体晶体中掺入钕"’K#离子和镱"E N#离子!从而激发产生!"J波长的激光!其波长位于电磁波谱的近红外区!与位于中红外的7D激光的波长相差较远!大致是7D激光波长的!),!所以其特征也与7D激光明显不同% !!对于激光系统而言!激光波长与由于衍射而引起的光束发散$大气湍流引起的光束畸变$大气分子和气溶胶粒子的吸收与散射导致的光束能量的衰减以及由此而引起的大气热晕效应等因素密切相关!所以激光波长是激光器系统的一个重要参数% !!由于!"J波长的激光其波长相对较短!所以在减小衍射方面具有明显的优势!另外!在某些情况下!它在减小分子吸收上也同样有明显的优势%由于大气对激光束能量的吸收可导致传输光束形成热晕效应!从而使得激光束形状产生畸变$光束质量下降!影响激光与靶目标耦合效果%虽然大气湍流对!"J波长的固体激光的影响与7D激光相比较大!但是由于目前自适应光学技术的应用!可使得大气湍流对以上两种激光的影响甚小!其差别也不显著% $&%!光学衍射与发射口径 !!由于光波的波动性!发射的激光束均具有由于衍射引起的较小的光束发散角!该发散角正比于波长!另外!光束在焦斑处的最大光强和束散角的平方成反比%基于这个原因!假设光束直径和功率相同!则!"J的固体 "收稿日期!*)),>!!>**&!!修订日期!*))+>)?>!O 基金项目!国家@O?计划项目资助课题 作者简介!强希文"!P O"*#!男!陕西西安人!硕士!副研究员!主要从事激光大气光学等方面的研究&3>J G H%+Q H R L A＿V H G A F!!O?&S$J% 激光扩束镜原理 衍射 通常我们以光束的发散参数作为完美的高斯激光束的特征。发散是指光波在其空间传播过程中以一定角度展开。甚至完美的没有任何异常的光线也会由于衍射效应经历某些光束的发散。衍射是指光线在被不透明的物体，比如刀锋切断的时候产生的弯曲效应。展开（spreading）产生于在切断的边缘发出的次级波面阵。这些次级波和主波会发生干涉，同时相互也会产生干涉，在某些时候就会形成复杂的衍射图案。 衍射使得完美的校准光束成为不可能，或者不能够将光束聚焦到无限小的点。幸运的是衍射的效果是能够被计算的。因此存在着可以预知对于任何衍射极限的透镜光束被准直的程度和光斑大小的理论。 我们现在考虑一束这样由低功率TEM00气体激光器产生的光束，光腰为S0。这样我们就能够假定它能够达到衍射极限同时能够不用考虑任何热透镜效应。它将会显现出由于衍射引起的光腰的弯曲，或者说展开效应： S(x)=S0[1+(λx/πS0²)²]½ 在这里x是指离开光源的距离，λ是指激光波长，如果λx/πS0²»1，那么： S(x)≈λx/πS0² 利用这个近似值，我们可以写出光束由于衍射发散的角度： θ= S(x)/x=λ/πS0 θ我们都知道指的是远场发散角。 改善发散角 光束的远场发散定义了一个给定光束直径最好的准直效果。它也说明了光束的零发散角或者说最好的准直是不可能达到的，因为要做到这些需要有无穷大的光束直径。但是这个等式也表明了改善发散的可能性。 考虑一个已经准直的光束，发散角为θ光腰为S0，我们可以看到如果光束直径能够增大，远场发散角将会减小。这就是扩大光束的优点所在。另外，小的发散能够使高斯光束聚焦得更好。为了实现这些改善，在这里我们将描述几种对准直光束扩束的方法。 伽利略扩束镜 最通用的扩束镜类型起源于伽利略望远镜，通常包括一个输入的凹透镜和一个输出的凸透镜。输入镜将一个虚焦距光束传送给输出镜。一般的低倍数的扩束镜都 第13课.带有衍射光学元件的激光扩束器 在第11课中，您了解了如何使用普通球面透镜设计激光扩束器，并了解到需要多个透镜元件才能获得良好的性能。第12课采用相同的设计，使用两个非球面元件，效果极佳。本课程将证明您可以使用DOE（衍射光学元件）。 to within10%.目标是将腰半径为0.35mm的HeNe激光器转换成直径为10mm且均匀至10％以内的光束 这是我们初始的输入文件： RLE!Beginning of lens input file.。 ID KINOFORM BEAM SHAPER WA1.6328!Single wavelength UNI MM!Lens is in millimeters OBG.351!Gaussian object;waist radius-.35mm;define full aperture=1/e**2point. 1TH22!Surface2is22mm from the waist. 2RD-2TH2GTB S!Guess some reasonable lens parameters;use glass type SF6from Schott catalog SF6 3TH20!Surface3is a kinoform on side2of the first element 3USS16!Defined as Unusual Surface Shape16(simple DOE) CWAV.6328!Zones are defined as one wave phase change at this wavelengt HIN1.798855!Assume the zones are machined into the lens.You can also apply!a film of a different index. RNORM1 4TH2GTB S SF6 4USS16 CWAV.6328 HIN1.798855 RNORM1!The first side of the second element is also a DOE 5CV0TH50!Start with a flat surface 7!Surfaces6and7exist AFOCAL!because they are required for AFOCAL output. END!End of lens input file. 我们给第2个表面指定了一个合理RD值。这是现阶段还没有DOE的非球面系数的系统： 激光扩束器选择指南 消色差系列伽利略式激光扩束镜 高功率系列伽利略式激光扩束镜 低功率系列伽利略式激光扩束镜 可变倍率系列伽利略式激光扩束镜 紫外波段伽利略式激光扩束镜 大光束大倍率开普勒式激光扩束镜 消色差系列伽利略式激光扩束镜 该设计使用一片平-凹单透镜来提供所需的发散度，以及经过优化设计的空气间隔透镜组来平衡像差和重准直光束。调节单透镜控制发散透镜的调节，分度为50微米。所有的设计均提供A （400-650纳米），B（650-1050 纳米）或C（1050-1620纳米）宽带增透膜。 ● 降低光束发散度 ● 提供衍射极限性能,引入的波前误差小于λ/4 ● 光洁度:20-10 ● 增透膜: R avg < 0.5% ● 抗损伤阈值:100W/cm 2 CW 2倍伽利略式扩束器 Item Input Beam Coating(nm) Thread Price(RMB ) BE02M-A ?8mm 350 - 650 1.035”-40 ￥2240 BE02M-B ?8mm 650 - 1050 1.035”-40 ￥2240 BE02M-C ?8mm 1050 - 1620 1.035”-40 ￥2240 典型波前畸变网格线图 3倍伽利略式扩束器 Item Input Beam Coating(nm) Thread Price(RMB) BE03M-A?8mm 350 - 650 1.035”-40 ￥2650 BE03M-B?8mm 650 - 1050 1.035”-40 ￥2650 BE03M-C?8mm 1050 - 1620 1.035”-40 ￥2650 5倍伽利略式扩束器 Item Input Beam Coating(nm) Thread Price(RMB) BE05M-A?4.5mm 350 - 650 1.035”-40 ￥2820 BE05M-B?4.5mm 650 - 1050 1.035”-40 ￥2820 BE05M-C?4.5mm 1050 - 1620 1.035”-40 ￥2820 自上个世纪以来，由于通信技术发展极为迅速，中波、长波、超长波、短波、超短波以及微波通信以惊人的速度向前发展。然而事物的发展总是离不开矛和盾，随着电子通信技术的发展，电子对抗也就随之产生并发展起来了，电子侦察已成为现代作战获取情报的重要手段。无线电通信的电磁波犹如空气一样遍及全球，给敌方的无线电侦听带来了十分便利的条件，很容易泄密，给军事行动造成意想不到的损失。因此世界各国无不在保密方面狠下功夫，制定了各种保密措施防止无线电通信泄密。利用有线电通信的信号电流是沿着金属导线流动的，虽然比无线电通信保密，但也不是万无一失的。因为信号电流在导线周围会产生磁场，根据电磁感应原理：电生磁，磁生电，同样也很容易遭到敌方的窃听造成泄密。无线电波很容易被敌方接收，即使是加密的电波，在现代电子计算机技术充分发展的年代里也很容易被破译，于是人们感到必须改变传统的通信手段，才能适应保密的需要。１９６０年７月，光家族的新秀―――激光问世了，伴随激光的产生，一种新颖奇特的通信―――激光通信也进入了人们的视野。这位现代通信家族中的后起之秀，以其独有的通信容量大、保密性好、抗干扰能力强、通信质量好的特点给通信业的发展带来了明媚的春天，成为现代通信领域中引人入胜的“热门”。激光作为一种光波，虽然和电磁波有所不同，但是它仍属于电磁波家族中的成员，具有电磁波的特性，能在空间以波动的形式传播。但是它和电磁波又有区别，它的频率极高，具有奇特的粒子性。 随着激光技术的发展，激光通信也出现了两种方式：一是“有线”的光纤通信；二是“无线”的大气激光通信。这两种通信方式都具有自己的保密特性。 光纤通信是使光信号在极细的玻璃丝光缆中传播，光缆深埋地下、江、河、海底或敷设在管道中，不易被发现和破坏，尤其是玻璃丝不向外辐射电磁波，不会招惹是非，使截获和侦听无可乘之机。即使碰巧被发现，它也不像金属导线那样容易“旁路”窃听；弄不好纤细的玻璃纤维竟会立即断成几节，散落四处，使侦听的企图落空，可谓“宁碎不泄密”。 大气激光通信中激光传输是一束平行而准直的细线，发散角小、方向性好，不像电磁波那样在空中到处乱窜，不掌握其传播方向是无法接收到它的信号的。即使发现激光通信信号，由于激光通信的频率极高，比微波的频率起码高１０万倍以上，用现代的电子设备无法侦听，难以截获和破译。 因此看来，激光通信具有天然的保密性，它将给军事通信事业开辟崭新而广阔的天地。 一、激光扩束镜设计 一、设计要求： 设计一个激光扩束镜，扩束倍数为三倍，入射孔径为3mm，斜入射角1°，同时要求几何尺寸合适。 二、设计思路： １．确定第一面透镜 由于激光能量较高，所以光线追迹时，尽量使光束不在镜筒中汇聚，如果采用两面透镜来完成设计，就要保证第一面透镜为凹凸镜，先将光线发散，第二面为凸透镜再将光线汇聚，平行光出射。 ２.确定第二面透镜： 在第一面透镜后放置凸透镜才能满足对无限远处对焦的要求。３．几何参数的确定： 由于要求几何尺寸合适，不妨将总尺寸设为160mm，由应用光学知识可以计算，则第一面透镜的焦距应该取-80mm，第二面透镜焦距取为240mm，筒长为160mm（也就是两透镜的几何距离）。 4.做到了平行光出射，并扩束三倍的要求后，下一步需要做的便是减少像差，这个里面可以调整的有透镜的材质，在几何尺寸允许的条件下还可以再对相对距离等参数做出微调，以求能调出像差较小的设计。同时为增加可调自由度，还可以考虑再增加一面或者两面透镜，来达到消像差的目的。 三、设计过程 （1）第一面透镜 在设计第一面透镜时，先大致利用应用光学知识进行计算，估算透镜两个面的曲率半径，这里，大约可以取R1=-50mm，R2=200，材质使用BK7玻璃。这时，可以先看看这一面透镜的相关参数，探究下像差与单面透镜的一些参数的关系，这里，发现，当透镜的曲率半径取得越大时，透镜显示的球差和慧差越大，所以，在实验和实际工程中，建议使用曲率合适的透镜。 同样，根据设计思路，这时需要解决的另一个问题便是确定第一面透镜的焦距，这里可以使用SYNOPSYS软件中的edit solves 功能来确定其焦距，最后，经过调试，选择的是R1=-55，R2=150，选用BK7玻璃。（2）第二面透镜 下一步便是确定第二面透镜的相关参数，根据设计思路中的计算，可以知道两面透镜之间的距离，所以需要确定的是透镜在像差比较小的情况下，能使光纤平行出射的焦距，也就是设计思路里面所确定的240mm。 这时，如何能确定出合适的参数便是需要解决的问题，这里所选用的方法还是利用SYNOPSYS激光大气传输仿真系统的设计
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