高功率激光束的远场特性研究

采用场振幅沿x方向呈线性变化的非均匀光束模型,研究了非均匀场分布和内光路非线性热效应对远场特性的影响。研究表明,初始光束的非均匀分布会影响可聚焦能力,并引起像散。内光路的热效应会进一步减小可聚焦能力和加剧像散。此外,由于热效应,远场峰值光强要降低,且位置发生移动。     

内光路中大气吸收对远场光束质量的影响

采用桶中功率、β参数、像散参数、Strehl比和光束重心位置等参数描述远场光束质量,研究了在内光路中进行气体吸收对远场激光光束质量的影响,并与内光路中有横向吹风存在情况作了比较.用自编四维仿真程序进行了数值计算和物理分析.研究表明,随着吸收系数的减小或风速的增大,远场光束的峰值光强明显增强,可聚焦能力大大提高.但横向吹风会引起像散.     

内光路热效应和像差对远场光束质量的影响

选取桶中功率PIB,Strehl比,β和像散参数wx/wy作为远场光束质量的评价标准,用自编的四维仿真程序就内光路热效应和像差对光束质量的影响作了详细的数值计算和分析。研究表明,离焦、像散和热效应都将导致远场光强分布出现畸变,可聚焦能力降低,光束质量变差。     

光束控制系统中热效应的数值模拟

编制了四维仿真程序,用以研究光束控制系统中的热效应对强激光传输的影响.作为数值模拟例,用Strehl比、可聚焦能力(即86.5%环围功率半径)、像散参数和光束重心偏移表征远场光束质量,研究了初始场分布为高斯和平顶分布的光束通过光束控制系统传输时热效应对远场光束质量的影响.结果表明,远场光束质量与初始场的空间分布有关,且随发射功率增大而变差.     

稳态热晕对激光束大气传输特性的影响

利用稳态热晕条件下的高斯光束的光强分布模型,数值分析了无风和有风两种情况下稳态热晕效应引起的光束畸变。在无风情况下,分析了热晕对不同传输距离、不同初始功率的激光束能量分布的影响;在有风情况下,分析了热晕对近场和远场激光束的影响,分析了不同横向风速对光束畸变的影响。     

受激拉曼散射对高功率激光传输特性影响研究

研究了高功率光谱组束系统内光路的气体热效应对激光远场光束质量的影响。通过同等功率密度传输的子光束与合成光束的远场光斑分布对比研究,明确了子光束中的受激拉曼散射是造成组束光路气体热效应的主要因素。当拉曼光功率密度仅为180 W/cm~2时,远场光斑即出现了中心强度明显下降、能量分散等劣化状态。研究了激光传输路径长度对气体热效应的影响,当光程从100 mm增加至450 mm时,远场光斑的峰值强度逐渐下降,光斑逐渐变散。通过向密封的组束装置中充入氮气,基本可以消除气体热效应对远场光束质量的影响,可作为一种有效的气体热效应抑制手段。研究成果为光谱组束激光器的光束质量优化提供了有效支撑。     

强激光稳态热晕效应的数值模拟研究

为了研究强激光在大气传输过程中产生的热晕效应,采用数值模拟的方法,对无风时稳态热晕效应的影响参数进行了求解,探讨了无风稳态热晕效应对轴上光强以及远场能量分布的影响。结果表明,无风稳态热晕效应存在时,随发射功率的增大,一定传输距离截面上的峰值功率密度先增大后减小;截面上的峰值光强随基模高斯光束的腰斑半径的增大而增大;随着传输距离的增大,截面上峰值光强在逐渐减小,能量在逐渐向周围扩展;在一定条件下,截面上的光强分布会呈现中心光强小于周围光强的“草帽型”分布。该结论对研究强激光在远场的辐照效应是有帮助的。     

激光大气传输热晕与光束抖动综合效应的数值模拟

研究了激光大气传输中热晕与光束抖动综合效应的数值模拟方法。一般情况下采用统计方法模拟光束抖动,当光束抖动频率远小于或远大于热晕特征频率时,用卷积的方法计算热晕与光束抖动综合作用下的光束远场光斑的光强分布。为了检验数值模拟方法的正确性,针对聚焦Gauss光束,计算了热晕与光束抖动综合作用下,焦平面上的光强分布。计算结果与经验公式的计算结果符合得很好,验证了数值模拟方法的正确性。     

部分相干双曲正弦-高斯光束的传输和聚焦特性

为了研究部分相干双曲正弦-高斯(SHG)光束通过像散透镜的传输和聚焦特性,利用部分相干光的传输公式,推导了光束通过像散透镜后光强分布解析的表达式,并据此得到了光束束腰宽度、远场发散角和M2因子的解析表达式,并对光束强度分布和束腰宽度进行了数值计算和分析。结果表明:部分相干ShG光束聚焦的光强分布与像散系数C6,空间相干参数,离心参数a,菲涅耳数Nw和位置(x,y,z)有关。像散导致x和y方向束宽不同。但M2因子与像散无关,并随相干性的增加和离心参数的减小而减小。适当改变像散和空间相干性,在几何焦面和其它位置可实现部分相干ShG光束的空间整形。     

准直脉冲激光大气传输热晕数值分析

大气通道上介质对激光部分能量的吸收,导致大气折射率的改变,形成自散焦负透镜,产生热晕．使激光发生畸变,限制了激光能量在大气中的有效传输．以准直脉冲高斯激光束大气传输为例,数值分析了热晕对由光束的声传递时间（即流体动力学时间）定义的两种脉冲长、短脉冲大气传输的影响：长脉冲受到非线性热晕效应影响很大,光束截面上光强发生了重新分布,轴上光强凹陷,峰值光强向周围扩展;短脉冲主要受到线性吸收的作用,受到的非线性热晕效应影响很小．提出了采用脉冲间隔适当的序列短脉冲传输来提高激光传输能量的方法．     

高功率激光技术中的光束控制和相关问题

对高功率激光进行了研究。以平顶高斯光束为例,推导出了它通过无光阑和有光阑的近轴ABCD光学系统传输的解析表达式。给出了它的特征参数,包括光束传输因子(M2因子)、陡峭度(K参数)和桶中功率(PIB)并作了物理分析。最后,指出高功率激光光束控制应使光束在靶面上的功率/能量集中度、时间和空间波形、瞄准稳定性以及时间持续性等指标满足应用要求。     

激光重频对脉冲非稳腔TEA CO2激光远场传输特性的影响分析

为了研究TEA CO2激光重复频率对远场光束特性的影响,首先采用有限元方法计算了不同重复频率下反射镜的温度场和热变形分布,然后采用协方差矩阵法对镜面热变形进行了Zernike拟合,最后结合衍射的角谱传播理论和功率谱反演法分析了不同重频TEA CO2激光经过内光路热畸变作用后的远场光束特性。研究表明:在净吸收能量相同的情况下,随着重复频率的增大,反射镜的温度逐渐升高,热变形量逐渐增大,经过内光路热畸变作用后,远场光束的Sr和平均能量密度Ed逐渐减小,参数逐渐增大,光束质量逐渐变差;对于TEA CO2激光,重频为300 Hz的Ed值仅为10 Hz的40%,远场光束的峰值光强下降了43%,光斑展宽了近60%。文中的研究结果为TEA CO2激光发射系统的优化设计提供可靠的依据。     

强激光输出窗口热行为对光束质量的影响

为了研究强激光输出窗口热行为对光束质量的影响,从Strehl比的普遍公式出发,推导出热变形情况下考虑材料折射率温度效应的Strehl比计算公式和远场强度分布公式。计算并分析了蓝宝石、石英、单晶硅组成的窗口镜的热变形对光束质量的影响。激光功率越高,引起的窗口的热变形越显著,使得Strehl比和远场归一化强度越低,因而光束质量越差;在考虑到材料折射率的温度效应时,在相同的激光辐射条件下,蓝宝石的Strehl比随激光功率的变化较平缓。结果表明,高功率激光器的窗口热变形及其基片材料折射率的温度效应对远场光束质量具有较大的影响。     

延迟位相在大功率CO_2多模激光束传输与聚焦中的重要性

采用激光光束的延迟位相分析法,研究了大功率CO_2激光束传输与聚焦时光束横截面的大小和光强分布的变换规律。采用大功率激光束光斑质量诊断仪测量了TLP6000型CO_2激光束在不同位置处横截面的大小和光强分布,理论分析与实际测量结果相吻合。根据延迟位相分析法,设计了在焦点附近获得最小的光强起伏变化的光学变换系统。     

大功率固体激光器高效率光纤耦合

光束质量参数对大功率固体激光器光纤耦合系统的设计起着关键作用。大功率固体激光器输出的为多模激光束,引入等效基模光束来计算多模激光束的光束质量是一种有效的方法,并定义包含光斑能量98%的光斑半径为束宽,以此计算多模激光束的光束质量,是准确有效的。结合大功率固体激光器的光纤耦合原理和光束变换理论设计了高效耦合系统,并对系统内透镜的通光孔径及焦距等参量做了数值优化。实验证明,此光纤耦合系统能够进行大功率固体激光高效率耦合,成功地实现了输入功率为2000W时,耦合效率大于94%的激光输出,并给出了光纤耦合的效率曲线及分析。     

强激光传输变换和光束控制研究的进展

文中对强激光的描述、传输变换和聚焦特性,以及强激光光束质量控制和参数诊断等强激光领域的一些新进展作了评述和分析,给出了强激光在含有空间滤波器的多程放大器中光束传输的典型数值模拟流程图,并以数值计算实例加以说明.     

环形光束大气传输数值模拟与分析

为了研究大气湍流对环形光束激光工程应用的影响,采用多相位屏数值模拟的方法对环形光束在大气湍流中的传输进行了仿真模拟。通过改变大气湍流强度、传输距离等参数,定量计算了不同传输条件下质心漂移均方根、远场目标的焦平面平均功率密度,给出环形光束传输路径上特征距离解析式并分析了大气湍流对环形光束远场平均光强分布的影响。结果表明,环形光束在大气湍流中传输时光斑质心漂移随湍流效应（湍流强度或传播距离）增强而增大,远场光束质量随遮拦比增大而降低。遮拦比小于0.5时,大气湍流对光束质量的影响较为明显。环形光束大气传输数值模拟方法,可为高能激光武器等激光工程应用的理论分析和效能评估提供依据。     

大功率激光光束参数的测量方法

利用我们正在研制的新型大功率激光光束光斑质量诊断仪,实现了大功率激光光束横截面的功率密度分布测量,并给出了计算光束位置、束宽、焦点位置、焦斑大小、发散角、焦深和光束质量因子等相关光束参数的数学处理方法。