大功率空间椭圆光束整形和传输研究

摘要

空间激光通信对通信质量与通信稳定性有很高的要求。在信号发射源的选择上，半导体泵浦的固体激光器具有构造简洁、使用寿命长、高效稳定的优势，出射的激光光束具有输出功率高、光束质量高、稳定性高的特点。在固体激光器的选择中，板条型激光器由于具有良好的导热性能而成为首选。
　　本论文针对板条型固体激光器出射的在大气中传输的椭圆激光光束的光束发散角、束腰半径以及整形后光束所受大气散射引发的成像光斑作出以下几方面的研究：
　　（1）对板条激光器与空间激光光束整形传输的概况简要介绍，重点综述板条型激光器的优势与近年的发展状况、光束整形的分类与近年发展状况以及空间激光传输研究的发展状况。
　　（2）介绍了以光学变换矩阵为主的光束传输特性研究方法、基模高斯光束的描述与质量评价方法以及高斯光束的ABCD定律应用。
　　（3）分析了大气中粒子引起的Mie散射的理论基础以及粒子的形状、尺度参数、粒子的折射率对散射的影响，阐述了 Mie散射的强度分布函数、体角散射函数的计算方法。
　　（4）针对板条激光器输出光束光斑呈椭圆形的问题，采用几何方法设计整形系统，运用ABCD定律，选用五组不同焦距的柱面凹凸透镜组合，模拟了运用柱面望远镜系统对椭圆光束横轴方向进行扩束、并用单波长扩束装置压缩激光横轴与纵轴方向远场发散角的方法。仿真结果为：选取特定组合焦距的柱面凹透镜与柱面凸透镜，可将激光光束横轴方向的较大的初始发散角由600μrad减小到230μrad，同时使两轴的束腰位置保持相同。通过普通扩束镜对光束进行横轴、纵轴两方向的同时扩束，扩束后横轴、纵轴两方向远场发散角的比值接近于1。在实验中最终也得到了整形后横轴发散角为92.8μrad、纵轴发散角为107μrad的圆形高斯光束，与仿真结果相符合。
　　（5）整形后激光光束在大气中传输时会受到后向散射，针对后向散射在CCD接收屏上的光斑形状问题，分别通过理论与实验进行研究。理论上，首先分析大气激光传输的比尔定律和后向Mie散射的散射光强度函数；其次推导出成像光斑圆心位置及半径计算公式，构建大气分层模型，激光光束被分割为若干层分别在接收屏上成像，通过对成像光斑进行叠加从而得到后向散射总光强，得出成像光斑后向散射总光强与大气颗粒物浓度成正比的结论。实验上，通过控制出射光束的基本参量保持不变，获取大气颗粒物浓度不同情况下的Mie后向散射CCD成像图。实验结果与仿真结果相符，对不同大气颗粒物浓度下的实验结果进行对比分析，为研究大气中其他光束的后向散射成像打下基础。

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第 1 章 绪论

1.1 大功率板条型激光器概述

1.2 空间激光光束整形概述

1.3 空间激光光束传输概述

1.4 本文的主要研究工作及结构

第 2 章 基模高斯光束整形的基本原理

2.1 光束传输特性的研究方法

2.2 基模高斯光束的描述与质量评价

2.3 高斯光束的 ABCD 定律及成像变换

2.4 本章小结

第 3 章 激光在大气中传输的散射原理

3.1 大气中分子的 Rayleigh 散射

3.2 影响 Mie 散射的粒子参数

3.3 Mie 散射的强度分布函数

3.4 单分散系的角散射与体角散射

3.5 总散射的散射截面与效率因子

3.6 本章小结

第 4 章 大功率空间椭圆光束整形研究

4.1 椭圆高斯光束的传输理论

4.2 光束整形仿真研究

4.3 实验结果及讨论

4.4 本章小结

第 5 章 空间高斯光束 Mie 后向散射研究

5.1 高斯光束在大气中传输时的吸收和散射

5.2 空间光束后向散射成像仿真

5.3 实验结果及讨论

5.4 本章小结

第 6 章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献

附 录