烟火剂爆燃光谱示温反演研究

如何在高温、高压、高辐射状态下准确测温一直是一个难题,为解决该难题,以辐射光谱测温技术为基础,实现对多元烟火剂爆燃过程的非接触温度测量,为进一步明确烟火剂的反应步骤与爆燃产物提供了基础参数。通过建立多元烟火剂与示温颗粒的辐射光谱测温模型,给出基于凝聚相小灰体颗粒的发射率计算方法,开展凝聚相颗粒辐射谱线获取实验并进行连续热辐射谱线的示温反演。为提高反演的准确性,提出了一种方法以降低在多元烟火剂爆燃时出现的离子峰展宽影响,该方法采用维恩变换分析光谱曲线,使用Bisquare算法和最小二乘算法的双平方加权拟合去除非热辐射谱线,开展热辐射温度的反演。发现了烟火剂爆燃二次升温规律,温度出现升温-降温-再升温-再降温的二次放热的现象。该研究为炸药一类物质爆燃的温度场温度变化检测提供了一种新的反演思路和方法。

凹凸激光谐振腔参数的热设计

讨论了凹凸稳定腔激光输出束散角与激光腔各参数的关系 ,得出了一系列激光棒热光焦度变化和束散角变化数据 ,并分析了这些数据。

角锥棱镜阵列谐振腔钕玻璃激光器实验研究

利用角锥棱镜阵列作为谐振腔的后腔镜,设计了一种新型的钕玻璃激光器谐振腔并进行了实验研究。实验中获得了能量大于500 J的1.06μm激光脉冲,发散角0.6 mrad左右,电光效率为2.3%。实验采集到的输出光斑不是一系列强度相差不大的子脉冲,而是中间有一个强峰,周围分布着一系列强度小得多的次峰。最后,对实验结果进行了解释与讨论,提出了利用角锥棱镜阵列进行光束相干合成的设想。

大能量钕玻璃棒状激光器新型热管理技术

针对kJ级大能量钕玻璃固体脉冲激光器,对比研究了传统恒温水冷方式和采用加热控制的新型热管理技术下的激光棒温度分布情况。结果表明,采用新型热管理技术可大大降低棒内温度梯度,减小泵浦过程中的热效应,确保大能量激光输出;而且加热循环水的最佳升温值在单泵浦脉冲引起的激光棒平均温升值附近,使得径向温差最小,该最佳升温值与脉冲间隔时间有关,比如脉冲间隔15 s时,循环水在每个脉冲过后的最佳升温值为单泵浦脉冲引起的激光棒平均温升值的0.85倍;采用加热控制后水温和激光棒温度整体升高,因此在工作一个脉冲串后,必须恢复激光棒温度到初始状态,然后再进行下一个脉冲串工作。

激光二极管侧面泵浦薄片激光器的泵浦光场分布研究

建立了激光二极管侧面泵浦复合晶体薄片激光器的数值模型,考虑到光束在晶体边界的折射,得出了晶体薄片内的泵浦光分布情况。分析了二极管个数、泵浦距离、吸收系数、光束发散角及晶体薄片半径对薄片内泵浦光分布和吸收效率的影响规律。理论结果与相关的实验基本相符,可为二极管泵浦固体激光器的结构设计和实验研究提供理论参考。

角锥棱镜谐振腔输出模式模拟研究

为了探究角锥棱镜谐振腔输出模式的分布,在考虑角锥棱镜存在二面角加工误差的情况下,采用矩阵光学方法和矢量运算方法,建立了一套角锥棱镜反射模型,给出了角锥棱镜谐振腔输出模式的计算公式及数值模拟计算方法。用傅里叶变换方法和Fox-Li迭代法数值模拟得到了理想角锥棱镜谐振腔及存在二面角加工误差时的角锥棱镜谐振腔的输出模式。模拟结果表明:理想角锥棱镜谐振腔输出模式由六个均匀分布的对称的瓣状结构构成,而存在二面角加工误差的角锥棱镜谐振腔的输出模式中各个区域的强度分布不对称。

角锥棱镜阵列谐振腔输出模式研究

为了研究角锥棱镜阵列谐振腔的输出特性,利用角锥棱镜阵列作为后腔镜,与平面镜构成角锥棱镜阵列谐振腔,模拟计算了角锥棱镜阵列谐振腔输出模式的近场及远场分布,理论分析了谐振腔的相干输出,实验获得了采用该腔型的钕玻璃激光器的输出模式的近场及远场分布。结果表明,模拟计算与实验得到的模式分布相吻合,近场光斑外形为六边形,与角锥棱镜阵列形状相似;远场聚焦光斑中心为一强峰,周围分布着多圈强度小得多的次峰,各圈的脉冲峰数量及分布同角锥棱镜阵列中对应圈的角锥棱镜的数量及分布一致。理论与实验证实了利用角锥棱镜阵列谐振腔实现激光器相干输出的可行性。

基于“猫眼效应”的Nd:YAG激光谐振腔

阐述了“猫眼效应”的基本原理,分析了将“猫眼”目标作为激光谐振腔腔镜,取代普通激光器球面腔镜,获得激光振荡的可能性;计算了“猫眼”目标作为激光腔镜时的等效反射率,指出利用激光在其焦平面的聚焦特性实现激光干扰的新方法。并在实验中得到证实。

球面角锥棱镜非稳腔钕玻璃激光器

为了将虚共焦非稳腔输出光束质量高和角锥棱镜谐振腔具有免调试的优点结合到一起,提出了用球面角锥棱镜构成虚共焦非稳腔的方案。利用已有虚共焦非稳腔钕玻璃激光器,设计加工了一球面角锥棱镜非稳腔钕玻璃激光器。模拟计算了两谐振腔输出光束的模式分布,然后对两钕玻璃激光器进行了实验对比研究。结果表明:实验得到的模式分布与模拟计算结果相吻合,球面角锥棱镜非稳腔钕玻璃激光器与虚共焦非稳腔钕玻璃激光器分别获得了最大2176.9J和2340.6J的能量输出,二者的电光效率与束散基本相同,分别为4.3%,0.30mrad和4.6%,0.26mrad。

高斯长脉冲激光辐照单晶硅温度场的数值模拟

建立二维轴对称模型,通过Matlab软件对长脉冲高斯激光与单晶硅相互作用的加热过程进行数值模拟。分析不同激光功率密度和辐照时间作用下单晶硅的温度分布和温度历史,估算单晶硅的熔融损伤阈值和热量沉积深度。结果表明:单晶硅的熔融损伤阈值的功率密度I_0=0.22 MW/cm^2且激光热量沉积深度大约在1 mm范围内;单晶硅的温度随激光功率密度和辐照时间的增加而升高,且随着光斑半径方向的延伸与靶材厚度的增加而逐渐减小;在脉冲作用期间,硅表面中心温度迅速上升,这主要由高斯激光的能量分布特点决定;在激光作用结束后,辐照区的热量通过热传导效应从高温区向低温区转移,单晶硅的表面中心温度随时间的增加而缓慢下降,最后趋于室温。

大气湍流对高能激光系统瞄准精度的影响（英文）

对于高能激光系统,由于普遍存在发射激光与探测跟踪的波长差,大气湍流成为了其瞄准精度的影响因素之一,所以文中旨在研究大气湍流对高能激光系统瞄准精度的影响。采用高能激光系统的发射激光轴和光电探测跟踪轴的角偏差表征瞄准精度的受影响程度,首先利用Zernike多项式法构造大气湍流相位屏,然后通过角谱衍射理论建立激光传输模型,最后基于以上方法仿真分析了不同大气湍流强度和不同跟踪成像波长两种情况下角偏差的变化情况。最终开展了相关的实验证实了上述仿真结果的正确性。研究结果表明,在相同的湍流条件下,不同的跟踪成像波长会带来不同的角偏差,其中跟踪成像波长与发射激光波长越接近,角偏差越小;而在同一探测跟踪波长条件下,角偏差随着湍流强度的增大而增大。上述结果可对高能激光系统在工程应用中提升跟瞄毁伤能力提供重要的参考依据。

部分相干环形光束经透镜聚焦的焦移和焦开关

为了从理论上对部分相干环形光束被透镜聚焦后轴上点的光强分布以及焦移和焦开关现象进行研究,采用惠更斯-菲涅耳衍射积分方法进行了理论分析,取得了轴上点光强分布及焦移、焦开关现象的相关数据。结果表明,焦移量不仅依赖于环形光束外半径的菲涅耳数,还依赖于入射部分相干光的空间相干度和中心拦截比。菲涅耳数越大,焦移量越小;部分相干光的空间相干度越高,焦移量越小。菲涅耳数一定时,环形光束的中心拦截比越大,焦移越大。对于某一固定的空间相干度,随着菲涅耳数的降低会出现焦开关现象。这些结果对研究部分相干环形光束的聚焦性质是有帮助的。

透镜组耦合793nm LD抽运掺Tm^(3+)光纤激光器

为了实现2μm激光高效输出,采用793nm激光二极管端面抽运掺Tm3+光纤激光器的方法设计了抽运光耦合系统,分析了掺Tm3+光纤激光器的交叉弛豫效应及热效应,并进行了相关的实验研究。结果表明,获得耦合系统的耦合效率为84%;当入纤抽运光功率为70W时,获得34W激光输出,斜率效率为59%,中心波长为2001.2nm,光束质量M2≤1.2。该研究结果对掺Tm3+光纤激光器的设计具有指导意义。

激光谐振腔中模的衍射损耗分析

为了使激光器输出高质量的光束,采用一种简化计算各阶横模的衍射损耗的新方法,进行了理论分析和数值计算。结果表明,当各阶横模的菲涅耳数N>0.7时,与精确数值计算结果的相对误差在0.2%以内;采用新算法计算出来的各阶横模的衍射损耗能够满足足够的精度,是合理可行的。该研究可以为设计高光束质量的激光器提供理论指导。

一种高能激光系统光路模拟器设计

光路模拟器用于在实验室内模拟激光器激光束聚焦于远处实际靶子上时的激光能量密度分布,主要由球面镜组成。根据使用的球面镜数量的不同以及各球面镜间距离的变化,它可以模拟激光器实际聚焦于某一距离处靶子上的能量密度分布。文中推导出了光路模拟器的焦距及后截距的数学表达式,并用矩阵方法对计算得出的结果进行了验证,结果表明二者符合得很好。最后讨论了光路模拟器在实际使用中存在的一些问题,这对光路模拟器的调校及实际使用具有一定的指导意义。

应用于高能激光系统的发射聚焦装置研究

为了满足当前高能激光系统的工程应用需求,设计了针对高能激光聚焦的发射聚焦装置。首先选取了折反式二级扩束光学系统作为设计模型,然后利用光学设计软件序列模式对光学系统进行了设计优化,获得了平面波光束在不同距离聚焦的设计结果。其次由于平面波光束和高斯光束在调焦量上存在差异,通过矩阵光学理论计算了针对高斯光束聚焦的调焦修正量,并利用光学设计软件非序列模式重构光学系统,并以非相干空间合束的高斯光束作为入射光,进行了高能激光的传输聚焦仿真验证。在系统参数一致的条件下,与常规的离轴反射式光学系统进行对比。对比结果证实了本文设计的光学系统光学性能优良,可满足对入射高能激光在0.5~5km范围内聚焦,最后开展的样机实验也验证了设计的正确性和合理性。

非相干合成阵列激光倾斜像差校正方法

阵列激光在传输过程中受大气湍流影响后会降低其在远场的光束质量.首先,以非相干合成形式的阵列激光为模型,通过生成随机大气湍流相位屏模拟激光在大气中的传输,同时依据阵列分布分割大气湍流畸变波前并求解子波前的倾斜像差系数;然后,将系数代入子激光束相位部分进行消除即实现模拟倾斜像差的校正过程;最后,对比计算了倾斜像差校正前后远场激光光束质量的变化情况.仿真和实验研究结果表明:在同一大气湍流条件下,远场激光的桶中功率(power-in-bucket, PIB)和斯特列尔比(strehl ratio, SR)在倾斜像差校正后得到提升;虽然校正子波前倾斜像前后的PIB和SR均随着大气湍流强度增强而下降,但是当湍流强度增大,校正倾斜像差对PIB和SR的提升效果更好.本文所做工作可为提升高能激光系统的使用性能提供数据支撑.

基于双轴锥镜的环形激光束整形

为了改善非稳腔高能激光系统的光束质量,提高发射光学系统口径的利用率,采用新型的可用于光学非稳腔输出环形光束的光学整形方法,通过在激光腔外的光路上增加光学元件对输出的环形激光束进行了整形变换。在理论分析的基础上,设计并加工了基于双轴锥镜的光束整形装置,针对非稳腔高能激光器输出的环形光束进行了整形实验,取得了与理论分析一致的数据。结果表明,采用双轴锥镜装置整形后的光束比原始光束具有更好的光束质量,光束束腰直径由45mm减小为32mm,光束质量因子M^2由14减小到11.8。该方法用于光学非稳腔输出环形光束整形变换具有可行性。

激光辐照盐溶液中铝靶材的温度场研究

基于Comsol multiphysics软件,对连续激光辐照盐溶液中铝靶材的温度场进行了数值仿真模拟,得到了不同的激光功率和不同的盐浓度对连续激光辐照盐溶液中铝靶材的温度时间响应。研究结果表明,随着激光功率的增大,激光辐照中心点、径向温度、轴向温度三者的变化曲线都呈现明显的上升趋势。而盐溶液浓度增大,激光辐照中心点、径向温度、轴向温度三者的变化幅度都很小。但二者的径向温度和轴向温度都是分别随着径向距离、轴向距离的增大而呈现相同的下降趋势,随空间分布都呈高斯分布,与所用激光的空间分布类似。研究结果对激光的水下加工和激光的水下传输具有重要意义。

长脉冲激光与连续激光对铝板热破坏仿真对比

为了研究长脉冲激光与连续激光对铝合金的热破坏损伤差异,本研究建立了基于ANSYS的长脉冲激光与连续激光分别辐照铝合金的计算模型,利用变化体热源技术和生死单元技术,计算了两种制式激光辐照下铝合金的温度场分布以及融池大小。仿真结果为:功率为500 W的连续激光对铝板辐照1秒后,铝板最高的温度只有173℃,并没有达到铝板的融化温度,所以铝板表面并不会出现融池。而能量为500 J的单个毫秒脉冲激光可产生深度为1.4 mm,最大直径为3.6 mm的熔池。得出了在相同能量下,长脉冲激光对铝合金的损伤效果比连续激光更好的结论。