高能激光短距离传输光束质量测量仿真与实验研究

准确测量光束质量对于高能激光系统性能的评估至关重要,相比传统的远距离传输测量后再修正的方法,短距离传输后的光束质量更接近激光系统出口处的真实情况。建立激光短距离传输模型,采用多层相位屏法,分析空气湍流等因素对激光远场光斑形态和光束质量的影响。结果表明,在20 m的较短传输路径上,风速、空气相对湿度、功率等影响热晕效应的因素对光束质量影响较小,常规条件范围内,光束质量因子β值劣化不超过15%,而空气湍流效应对高能激光光束质量的影响较明显,随着空气湍流强度C_(n)^(2)由1×10^(-18)m^(-2/3)增大到1×10^(-12)m^(-2/3),β值从1.0848增大至8.9933;湍流强度对不同口径激光光束的光束质量影响也不尽相同,口径越大,受湍流强度影响越大。文中搭建实物光路,使用700 mm口径平行光管进行验证,在C_(n)^(2)<1×10^(-14)m^(-2/3)的情况下,测得2.63,与模拟结果相符,实验中还发现,可以通过搅散空气的方法来减小湍流强度。实验结果表明:将空气湍流强度控制在1×10^(-14)m^(-2/3)以下,光束质量因子不小于3的高能激光系统光束质量测量偏差小于5%,为大口径激光系统出口光束质量测量提供一种解决方案。

大气湍流和热晕效应对列阵合成激光传输特性和光束质量影响的理论研究进展

介绍了大气湍流效应和热晕效应对列阵合成激光传输特性和光束质量影响的理论研究进展。主要介绍了合成激光在大气中传输的解析和数值模拟研究方法,大气湍流效应对列阵合成光束的光强分布、远场发散角、方向性、曲率半径和湍流距离的影响,以及大气热晕效应对列阵合成光束的光强分布、传输效率、重心偏移、热晕时间尺度和焦移的影响。研究结果表明,大气湍流效应和热晕效应对合成激光光束质量的影响与光束合成方式、合成光束参数以及大气参数密切相关。

封闭管道中热耦合效应对激光传输的影响

建立了封闭竖直管道热耦合效应物理模型,采用流固耦合方法,数值模拟了封闭管道中介质气体、光学玻璃之间的热相互作用造成流场分布的变化,研究了热耦合作用对近场波前相差和远场光束质量的影响。数值模拟结果表明,光束质量可以由封闭管道内介质气体温度分布来决定,气体在管道内流动改变温度分布,使得相差分布不断变化,造成远场光束质量的振荡起伏;光学镜与介质气体热相互作用对流场分布有较大影响,尤其是竖直管道底部的光学镜对激光束远场光束质量影响明显。热耦合效应放大了光束质量的变化:当介质模型中光束质量变差,热耦合模型中热耦合效应使光束质量变得更差;当介质模型中光束质量变好,耦合模型中的热耦合作用使光束质量变得更好,即光束质量随着流场分布的变化而振荡。

激光通道传输热效应仿真

采用数值计算方法分析了高能激光在光束控制器内部传输所产生的热效应及其对激光远场光斑的影响。结果表明,对于较高激光能量,光束控制传输通道中的激光热效应不容忽视,它会明显影响光束控制系统的发射性能,降低远场目标处的激光能量集中度,并使光斑产生较严重的畸变。

强激光上行大气传输热晕效应导致的光束偏折研究

从激光大气传输热晕效应理论出发,提出了热畸变参数矢量模型概念,基于热畸变参数矢量模型,通过激光系统仿真软件EasyLaser,对激光上行远距离大气传输场景下光束偏折大小、偏折方向随矢量热畸变参数的变化规律进行了研究,结果表明,采用热晕效应热畸变参数矢量模型,光束偏折大小与矢量热畸变参数的模呈近线性增长,偏折方向与矢量热畸变参数的方向相反.基于光束偏折与矢量热畸变参数的规律,通过对光束传输路径上大气环境参数进行准实时测量,可为激光系统实际应用中光束偏置的预评估提供手段.

聚焦平台光束大气传输光束扩展的定标参数分析

建议采用63．2％环围能量半径及其内平均功率密度描述激光器大气传输光斑扩展特性。通过利用数值模拟及实验观测相结合的方法,对聚焦平台光束大气传输线性效应及湍流热晕相互作用引起的光束扩展进行了大量的数值模拟及部分实验研究,建立了描述聚焦平台光束大气传输光束扩展与大气传输特征物理参量的定标关系,从而为激光工程应用的可行性及系统参量的优化设计提供依据。

多光束激光大气传输

热晕效应存在时，利用发射多个激光束可以显著地提高光束到达靶 面的光强峰值。数值模拟结果显示，比单光束到达靶面的光强提高两倍以上。

稳态热晕非等晕效应的数值分析

运用高斯光束展开的方法,分析圆对称平顶光束在大气传输中的热晕及其非等晕效应。通过对热晕及非等晕效应引起的波前畸变作泽尼克多项式展开,得到了各阶泽尼克系数,进而求得热晕校正残差,数值计算得到的热晕拟合校正残差与现有理论公式得到的结果基本一致。对非等晕效应的数值模拟结果表明:在热畸变参数较小,且给定口径尺寸的情况下,热晕角度非等晕校正残差与非等晕角θ的平方成正比,热晕聚焦非等晕校正残差与信标高度的1.71次幂成反比。

强激光内光路传输的热晕效应实验研究

讨论了强激光大气传输,特别是在内光路传输时的热晕效应问题,分析了热晕效应中不同影响因素对输出光束质量的影响,设计并搭建测试系统,实验验证了内光路热晕效应对光束质量影响的存在,以及内光路气体流动与密封充氮两种手段对消除热晕影响的积极作用,同时总结了强激光系统设计过程中降低内光路热晕影响的几点思路。

聚焦光束大气传输光束扩展定标规律的数值分析

选取多种典型激光传输条件下的计算参量,对平台光束聚焦大气传输湍流热晕相互作用引起的光束扩展进行了数值分析.热畸变的产生是在快速变化的湍流扩束作用之后,在此假定的基础上,建立了描述聚焦光束大气传输光束扩展与大气传输特征物理参量的定标关系.在了解激光发射系统的特征参量和大气传输效应的特征参量之后,即可由定标关系迅速判断激光大气传输的效果,从而为激光工程系统的参量优化设计及其应用效能评估提供依据.

列阵平顶光束大气传输的热晕效应

研究了热晕效应对相干合成和非相干合成的列阵平顶光束在大气中传输的影响。结果表明:当列阵平顶光束在大气中传输且存在横向风时,光斑呈月牙状;相干合成时,光斑内存在多个光强峰值;非相干合成时,光斑内始终保持一个峰值;相对于列阵平顶光束的相干合成,非相干合成受热晕的影响较小;光束阶数N越大的列阵平顶光束受热晕的影响越小,即相对于列阵平顶光束,列阵高斯光束(N=1)受热晕的影响更大;光束传输效率在自由空间中随着N的增大而减小,在大气中则随着N的增大而增大;在大气中且功率相同时,列阵平顶光束的传输效率优于列阵高斯光束的传输效率。

风控热晕下椭圆激光光束质量的优化研究

实际高能激光器(如半导体激光器、光谱合束系统)出射的激光存在椭圆分布的现象。高能激光在大气中传输时会遭遇非线性热晕效应,大气热晕效应对椭圆高斯光束传输特性的影响还未见报道。用解析和数值模拟方法研究了风控热晕下椭圆激光光束质量的优化问题,推导出了热畸变扭曲参数的解析公式,并证明了其正确性。研究表明:由于椭圆光束像散特性,大气热晕效应对其传输特性的影响与风向密切相关。当源平面处迎风方向的束宽越大(光斑面积相等)时,聚焦椭圆高斯光束受热晕效应的影响越弱,靶面光斑对称性越好,能量集中度越高,即靶面光束质量越好。因此,在实际工作中,聚焦椭圆高斯光束的短轴沿着大气的总体风向更有利于减弱热晕效应。并且,聚焦椭圆高斯光束达到稳态热晕的时间与源平面处沿风方向的束宽成正比。研究结论对高能激光大气传输的应用具有理论指导意义。

高能固态激光非Kolmogorov湍流大气传输光斑扩展的数值分析

采用高能激光大气传输四维仿真程序模拟计算了高功率固态激光在非Kolmogorov湍流大气中聚焦传输时的湍流与热晕效应。数值分析了接收平面处光斑的63.2%环围能量半径、光束质量因子随非Kolmogorov湍流谱指数α和传输起伏强度D/r0的变化,比较了非Kolmogorov湍流与Kolmogorov湍流条件下激光传输结果的相对偏差。结果表明:非Kolmogorov湍流谱指数α越小,湍流效应和湍流热晕综合效应导致的光斑扩展越大,光束的能量集中度越低;已建立的描述聚焦高斯光束大气传输光束扩展的定标关系式在非Kolmogorov湍流条件下不再成立;在传输参数条件下,仅考虑湍流效应时,非Kolmogorov湍流与Kolmogorov湍流下光斑半径的相对偏差最大值可达87.7%,存在热晕时的最大相对偏差达43.7%,可见热晕降低了两种情况下传输结果的相对偏差。