激光光船聚焦性能研究

激光推进是一种由远距离传输的地基定向能提供推进能量的新概念。它具有高比冲、高推重比、低成本等显著特点，是一种急待研究且应用前景广阔的新型推进技术。如何解决光船飞行中，激光束偏离光船主轴而不能正常聚焦问题是激光推进中重要问题之一。主要针对抛物形光船，编写了光线追踪法(ray tracing method，RTM)的计算程序；研究了入射激光的光轴与光船主轴偏离时，反射光束的聚焦性能；得出了焦平面上激光束的能流分布、激光点火线、点火区形状和大小。这将作为激光推进过程流体动力学数值模拟和光船飞行轨迹研究的一个重要依据。     

点火形状对激光推力器推进性能的影响

在单脉冲激光能量为70 J作用下,用数值计算方法,对点火形状沿抛物形喷管对称轴的变化及其对激光推力器推进性能的影响进行了研究。研究表明,对于内表面母线方程y^2=20x,开口直径为0.08 m的喷管,当点火位置距离喷管内壁顶点0.02 m,点火区体积不变时,椭球或圆柱点火形状的变化对冲量耦合系数的影响很小;点火形状沿水平方向越细长,推力的变化幅度越小。通过分析点火形状对推进性能的影响,为设计聚焦系统提供了参考依据。     

基于椭球点火模型的脉冲激光推进流场演化数值研究

在阴影实验中拍摄到了脉冲激光点火形成的流场演化过程。通过分析等离子体的形状，对激光能量注入过程中伴随的复杂物理现象加以简化，建立了三维椭球点火数值计算模型。模拟了无约束、50J脉冲激光作用下流场的演化过程，并根据波阵面位置随时间的推移情况，计算了流场的激波速度。计算结果与阴影实验吻合良好，表明椭球点火模型能够比较真实地模拟流场演化过程，可用于研究点火条件对推进性能的影响。     

二次反射激光聚焦系统设计

为实现对入射激光束聚焦特性的准确控制,设计了二次反射激光聚焦系统.在已知激光束半径和聚焦点坐标的情况下,利用几何光学方法建立了聚焦系统反射面母线参数与聚焦系统半径、聚焦角度和聚焦光线夹角之间的数学模型;编写了聚焦系统设计程序,给出了一个典型的设计实例,聚焦系统设计参数满足设计指标要求,且结构合理.     

吸气式激光推进环聚焦光船设计方法

激光推进是一种先进的推进技术，光船是进行激光推进研究的模拟飞行器；提出了吸气式激光推进环聚焦光船设计方法和原理，数控机床加工中光船内表面和外表面尺寸计算方法，以及体积、质量和质心位置计算方法。对空气吸气式模式的激光环聚焦推进光船设计和试验研究有重要参考意义。     

激光熔覆过程光束能量衰减的模拟

为了应用能量守恒对同轴送粉激光熔覆中的熔覆层性能进行精确计算,研究了激光束穿过粉末云时能量的衰减现象和衰减规律.利用流体软件模拟实际喷嘴喷粉的过程,并利用有限元软件模拟激光束穿过粉末云的能量衰减规律,得到了激光-粉末相互作用区域内粉末云质量浓度随z轴的分布曲线,以及不同激光功率下和不同粉末云质量浓度下,从喷嘴出口到基材之间粉末云对激光衰减率的变化曲线.结果表明:激光束穿过粉末云的过程中,未到粉末交汇处时光强衰减较弱,汇聚处能量衰减明显.对衰减率进行定量研究可以很好地用于熔池温度场的精确计算.     

大功率工业激光的功率密度分布及其应用

由于激光功率、光束的模结构与聚焦光斑形态等参数,对加工质量起着决定性作用,通过对工业加工用大功率激光束,特别是聚焦焦点的横截面功率密度分布的测量,可以了解不同激光器加工能力的差异,为激光加工质量的提高提供最基本的数据. 采用大功率激光光束光斑质量诊断仪(LQD-1),对几种工业加工用典型大功率激光的功率密度分布进行了测量,所测激光束的模式主要有准基模、混合模、多模,根据测量结果给出了其应用范围.     

计算激光光束M~2因子的两种新方法

对实际激光光束M2因子的计算测量作了一些讨论,给出了两种计算测定实际激光束M2因子的新方法：由光束不同截面的光斑半径来得到M2因子;测得激光束某个截面的光强分布求出激光束的M2因子．     

辐射阵列厄米高斯光束的聚焦特性

利用Collins公式对辐射阵列厄米高斯光束(RHGB)的聚焦特性进行详细研究,推导出RHGB通过会聚系统的传输解析公式。数值计算结果表明在光束并合区域,激光参数(R₀, m, n)对其强度分布有较大影响,随着传输距离的增加,RHGB的空间重叠减小,并合光强也随之降低。计算结果可为进一步研究RHGB提供参考。       

激光能量模式的变换及其模拟

在研究激光束能量模式基础上，对其变换及计算机模拟进行了分析，研究了激光加工过程中能量空间分布的调控方法，并将其应用于对激光束的刃磨。计算机模拟表明了刃磨光束在激光精密加工和新激光成形方法中的有效性。     

典型建筑装潢板材的着火特性实验研究

在可燃物热解与着火特性分析试验台上,对白松、桦木、椴木、密度板、三夹板和五夹板典型建筑装潢板材的着火特性进行了研究.测定了材料的表面温度和质量损失速率,并分析了辐射热能流率、含水率和材料种类对材料着火特性的影响.结果表明,随着辐射热能流率的增加,着火时间缩短,着火温度降低;随着含水率的增大,着火时间延长;不同材料的着火特性在低辐射热能流率条件下的差异较大,而在较高辐射热能流率条件下相差不大.     

准分子激光光束时空积分法能量均匀化的研究

准分子激光在微机械加工、医学、光通讯中具有重要应用。但由于准分子激光固有的特性，其光束能量具有不均匀性，从而准分子激光的应用受到极大制约。本文介绍了一种时空积分均束器系统的设计，并在计算机上模拟分析，得到激光输出光斑（靶面）的中心的能量与边缘的能量相差小于1％的均匀性效果。     

Low-loss light propagation in the chain of microcavities

According to the focusing property of the photonic nanojet, the coupling characteristics for the chain of microcavities have been studied. Low-loss light propagation in the chain of microcavities is proposed. The influence of different wavelengths on the intensity of the photonic nanojet and the location of the focal spot are given. Intensity distribution and transmission characteristics for the chain of coupled spherical microcavities are analysed. Simulation results and theoretical analysis show that the chain of spherical microcavities has a highly focused beam and low-loss characteristics because of the focusing effect and backscattering enhancement of the photonic nanojet. A low-loss waveguide can be designed by using these properties of the chain of spherical microcavities. Sub-wavelength focusing of the beam, high optical throughput, and broad spectral transmission properties make the chains of microspheres able to be used in a variety of biomedical applications including minimally invasive and ultraprecise laser surgery.     

多涡旋相位径向矢量光束紧聚焦产生多聚焦光斑

对加载对称四涡旋相位的高斯径向矢量光束的紧聚焦特性进行了理论和模拟实验研究。在径向矢量光场加载对称的四个涡旋相位,并调节涡旋相位中心奇点与光场中心的距离,基于理查德沃尔夫矢量衍射理论进行紧聚焦。研究结果表明,在涡旋相位中心与光场中心距离为0.62 w的情况下,聚焦场中得到了5个焦斑的结果,改变涡旋相位间的距离可以调节中心聚焦斑与周围4个聚焦斑的能量分布。     

克尔介质中调制激光束传输的实验和理论研究

介绍了在实验中观察到的类双环状结构调制激光束在克尔介质中的自聚焦现象,并在理论上,通过建立一个调制光束模型,运用数值求解非线性SchrOdinger方程,详细描述和解释了这种调制光束自聚焦形成的过程及其特点,最后还对双环间的耦合效应进行了研究,给出了耦合效应的特点.     

气体自发拉曼系统激光脉冲外整形光路

设计了一种多级光学环腔串联的激光脉冲外整形光路。在气体自发拉曼散射激发系统中,有效地避免了在强激光脉冲功率密度条件下所造成的气体裂解、石英玻璃窗口损坏及可燃气体点燃等现象的发生,可大幅度提高弱的气体拉曼信号的信噪比。通过数值模拟优化设计,第一腔的延迟时间为原始激光的脉宽半高宽(FWHM),各腔间的延迟时间比是2的倍数,分束镜的分束比为30%～50%。使用两个光学环腔,可以将脉宽为6.5ns、能量为400mJ原激光展宽整形到35ns,激光峰值功率降低了20%左右,并小于0.02GW。在混合气体样池中完成了基于激光拉曼光谱定量的浓度测量。该技术可进一步应用在光学发动机中混合气浓度和温度场的定量测定。