高能激光系统内光路热效应建模与仿真

高能激光系统内光路热效应是影响系统性能的重要因素,介绍了内光路中光学元件、介质气体热效应物理模型,分析了影响热效应的主要因素,并开展了热效应变化规律研究。针对光学元件,重点研究了元件吸收率、元件材料特性、光斑分布对反射镜、窗口镜、分光镜热像差的影响规律,指出吸收率主要影响热像差的大小,而元件基底材料特性和激光分布影响热像差时间和空间变化。针对介质气体,指出介质气体升温后重力引起的自然对流是影响气体热像差的主要物理因素,细致研究了热像差随时间的变化规律,介绍了降低封闭与开放式内光路介质气体热像差的措施与方法。介绍了激光仿真软件平台Easylaser多物理仿真模块,搭建了包含反射镜、窗口镜、分光镜和介质气体的内光路计算模型,通过光-热-力-控多物理耦合仿真,研究了反射镜与窗口镜、介质气体与窗口镜热像差补偿效应,给出了激光传输远场光斑特征,表明了Easylaser的多物理仿真模块具备对内光路热效应综合仿真分析能力。     

激光器光学系统光机热集成分析方法

论述了光机热集成分析方法原理及接口多项式,并将其应用于某激光器光学系统进行光机热集成分析。该分析方法首先对光学系统进行热分析、结构有限元分析计算,获取激光辐照下光学元件表面的结构变形;其次,对有限元计算的光学元件变形结果数据进行Zernike面形拟合处理;最后将变形后的光学表面导入到通用光学设计分析软件,分析激光器光学系统变形后产生的各类光学像差。结果表明:利用集成分析方法能够分析光学元件产生热变形对激光系统成像质量造成的影响,为光学系统设计提供参考。     

多波段高功率激光扩束系统设计

 对透射式和反射式扩束系统应用于高功率激光扩束的优缺点进行了对比研究。采用次镜为凸抛物面,主镜为凹抛物面的无焦卡塞格林系统,运用ZEMAX光学设计软件,按激光扩束系统的扩束倍率和系统的波像差要求,设计出多波段高功率激光扩束系统。对用于高功率激光反射镜的基底材料进行分析,选用无氧铜作为基底材料;采用金增强的膜系设计,膜系从近红外到远红外宽光谱波段激光的反射率均在98%以上。面形精度均方根值优于λ/40(λ=0.632 8 μm)的平面镜作为基准镜,采用光学干涉方法对设计的激光扩束系统进行检测实验,结果表明：该扩束系统的扩束倍率为3.53,波像差为0.206λ,满足多波段高功率激光光束发射要求。     

光学窗口形变对平行光管光学性能影响分析

由于环境工况的多变性,光学窗口设计交叉了光、机、热等多种学科。在压差、轴向温差及径向温差工况下,分析光学窗口形变对某大口径、长焦距平行光管光学性能的影响,建立了光学窗口的有限元模型,与理论结果进行对比,验证了该有限元模型的有效性。以有限元分析得出的光学窗口变形数据为输入数据,带入改进了的Zernike多项式光机分析接口程序,获得了与像差对应的Zernike系数。用得到的Zernike系数表示光学窗口面型,以波像差作为光学系统成像质量评价指标,分析光学窗口变形对大口径、长焦距平行光管系统光学性能的影响。结果表明:光学窗口变形对平行光管系统光学性能的影响可以忽略不计。     

气动光学头罩光传输数值仿真

 气动热环境下光学头罩由于受气动热效应作用,其形状和光学性质都将发生改变,从而影响头罩内的光传输。建立气动光学头罩有限元分析模型,根据热光效应和弹光效应理论,对头罩的折射率场进行数值计算,采用四阶龙格-库塔法编制光线追迹程序对气动光学头罩内红外辐射光线传输进行了数值仿真,得到了头罩光学系统出射波面波像差和调制传递函数。研究结果表明：气动热环境下热光效应对光学头罩光传输的影响远比弹光效应大,且气动光学头罩成像质量受到气动热效应的影响严重下降,为了提高高速飞行器的制导精度,不能忽视气动热对头罩光传输的影响。     

掠入射板条放大器链的热效应模拟分析

对LD泵浦的掠入射板条放大器链系统激光介质的热效应进行研究。针对掠入射放大器结构建立了相应的热力学模型,对激光介质的温度场分布、热致波前畸变和热透镜效应进行了详细的理论分析。利用有限元分析软件COMSOL模拟了晶体内部的温度、应力及应变的分布情况,并进一步讨论了板条厚度、泵浦尺寸以及种子光入射角对光程差和热透镜造成的影响。结果表明,随着泵浦光斑尺寸和种子光入射角的增大,光程差变小,热透镜效应减弱;板条厚度对光程差和热透镜的影响较小。模拟计算结果对于预测板条热效应的强弱、热效应的补偿,以及放大器链结构参数的设计提供了依据。     

一种静态傅里叶变换红外光谱仪的光学系统分析与设计

对基于多级微反射镜的傅里叶变换红外光谱仪进行了光学分析,研究了光源尺寸、光强分布的不均匀性和光学系统像差等因素对光谱复原的影响。发现光源尺寸影响光谱分辨率,光强分布的不均匀性和光学系统像差会产生基线噪声。数值计算的结果表明,当光阑的尺寸小于2.5mm,不均匀的标准偏差小于0.5,准直系统的波像差均方根值小于0.05,以及缩束成像系统的光斑直径小于30μm时,光谱复原的噪声可以忽略。给出了光学系统的设计结果。     

基于矢量波像差理论的两反系统装配失调解算方法

以矢量波像差理论中的三级像差理论为基础,提出了一种两反系统装配失调量解算方法。该方法仅采用轴上视场波前像差系数建立失调量解算模型,然后基于球差系数解算间隔误差,并基于彗差和像散系数解算偏心和倾斜误差,大幅提高了解算精度和效率。以某一两反光学系统为例,利用光学设计软件Zemax进行模拟装调,系统轴上视场失调像差系数均减小到10~(-7)数量级,失调误差均校正到10~(-5)数量级,达到了良好的装调效果。最后,利用该失调量解算模型指导两反光学系统的装调,失调量解算精度及装调精度达到了使用要求。Zemax模拟装调结果和实际装调效果均证明了所提方法的正确性。     

激光变焦扩束光学系统设计

主要介绍了激光变焦扩束系统的设计方法。以高斯光束的准直原理为基础,采用一个倒置的望远系统建立系统物理模型和微分方程,分析得到系统中变倍补偿组件的运动轨迹。然后以二组元变焦系统为例,在理想光学系统的基本目标参数上加入具体的光学参数,并利用软件优化校正像差,设计得到了一种结构紧凑,光束准直性好且成本较为低廉的变焦扩束光学系统。     

用于高能激光系统的共孔径光学装置设计

高能激光系统的主要工作方式是利用其精跟踪模块将发射激光传输聚焦至闭环跟踪条件下的目标上,使之受到毁伤或失效。为实现该工作方式,本文研究设计了一套共孔径光学收发装置。该装置的发射系统主要由离轴两反式主望远镜模块、伽利略透射式调焦望远镜模块和光束馈送模块共同组成二级扩束系统,接收系统主要由离轴两反式主望远镜模块、精跟踪成像模块和光束馈送模块共同组成长焦距光学系统,其中光束馈送模块由二向色镜、快速反射镜等光学元件组成。以非相干空间合束的基模高斯光作为激光光源,利用光学设计软件对该装置进行了优化设计。对于发射系统,获得了激光经过调焦望远镜模块不同的调焦量调制后,传输至0.5~5 km处的光斑分布情况,且激光波前像差RMS值均优于λ/20;对于接收系统,由各模块一同构成的成像光学系统的性能经优化后接近衍射极限,其中系统传递函数在70 lp/mm时大于0.6,最后通过样机实验也验证了设计的正确性。本文的设计和实验结果证实了该共孔径光学收发装置结构合理,性能可靠,满足高能激光系统的工程应用需求。     

Analysis of beam quality for the laser beams after spectral beam combining

The beam quality of the laser beams after spectral beam combining (SBC) has been analyzed in this paper. Based on the propagation model of the spectral beam combining system, the expression for the output field of an individual beam passing through the spectral beam combining system with lens aberration has been given and the intensity distribution of the combined beam has been studied by the principle of incoherent superposition. Consequently, according to the intensity second-order moments method, the M²-factor of the combined beam has been calculated and the effect of lens aberration on the characteristics of the combined beam has been analyzed quantitatively. It can be shown that the SBC system can improve the beam quality of laser array significantly, and the M²-factor of the combined beam passing through the ideal spectral beam combining system is almost the same as that of an individual beam. For the spectral beam combining system with lens aberration, the spherical aberration has greater effect on the off-axis beam than on the on-axis beam, and the beam quality of combined beam degrades with increase in lens aberration.     

Study on current density distribution of electron beam spots by wave optics theory

The image theory of wave electron optics is used to study the current density distribution of electron beam spots for high-resolution electron optical systems. Using the wave aberration concept and paraxial expansion of charge density, the space charge effect is taken into consideration by modification of paraxial rays and spherical aberration coefficient of the lens. The point spreading function is obtained by Fourier-Bessel transform of the optical transfer function considering the space charge and partial coherence of the electron source.     

应用波像差理论计算Kirkpatrick-Baez系统的调制传递函数

调制传递函数（modulation transfer function，MTF）曲线可以客观地评价光学系统的成像性能。基于平面对称光学系统的波像差理论，给出了Kirkpatrick-Baez（KB）显微镜光学系统主要像差的波像差计算表达式，采用自相关法，通过Gauss-Legendre数值积分求解并绘制了KB系统的MTF曲线，且与光学分析软件的MTF曲线进行对比。结果表明:应用波像差理论计算调制传递函数不仅可以定量直观地分析KB系统的成像性能，而且能进一步解析光学系统的单项像差分布情况，提供更具针对性的系统优化方案。     

Thermo-optic effects affecting the high pump power end pumped solid state lasers: Modeling and analysis

A complete solution of the thermal effect for continuous wave laser diode array fiber coupled high pump power end pumped actively solid state laser is presented. In this paper, the thermal loading resulted from energy transfer up-conversion effect for laser operated under different pulse repetition frequency has been taken into account in the overall thermal effects. The thermal loading transfer the absorbed pump power into non-uniform temperature distribution in the laser rod, and thus results in thermal strain, thermal stress, thermal dispersion of index, and thermally induced diffraction losses. For a practical laser cavity configuration containing the internal optical elements, we use spherical aberration theory to give a better explanation of experimental results via calculating diffraction losses quantitatively. According to analysis of thermal focal length experimental data, the results show that our calculated value of thermal loading under fixed Nd³⁺ doped concentration laser crystal is not a constant but a function of pump power instead. The theoretical predicted curve of thermal focal length based on our model is in good agreement with experimental measurements. At low pump power, the thermal loading is a linear function varying with pump power, but it begins to saturate at pump powers exceeding 6 W. This phenomenon is consistent with our physical intuitions.     

数值模拟抽运分布对端泵激光器晶体热透镜球差的影响

为了研究端面抽运情况下,激光晶体在不同分布的抽运光抽运时热透镜球差的变化,通过对稳态热传导方程和Zernike多项式的求解,建立了热透镜球差与抽运光强度分布的模型,对模型进行了理论分析和仿真研究,并对仿真结果做了进一步理论和仿真分析.结果表明:在相同的抽运功率下,二阶超高斯分布抽运光抽运时球差最大,且随着抽运分布系数k的增大(除高斯分布外)球差逐渐减小;随着抽运功率的增加,抽运分布系数k对球差的影响逐渐加重,且不同分布系数k所产生的球差差距逐渐增大;并对二阶超高斯分布抽运光抽运得到最强激光功率的照射范围进行了理论分析和仿真分析,得知在相同抽运功率下,二阶超高斯分布抽运光得到最强激光功率的范围最宽为0.30—0.63倍高斯半径.     

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。     

畸变光束的焦斑质心位置

 为分析振幅和相位发生畸变情况下光束焦斑质心位置所受的影响，以光波标量衍射理论中的夫琅和费衍射公式为基础，根据光斑强度分布一阶矩质心位置的定义，推导了直接依赖于光束近场复振幅分布的焦斑质心位置的一般表达式。进一步推导了焦斑质心位置对光束近场强度分布和相位斜率分布的依赖关系式，并对该式清晰的物理意义进行了阐述。利用焦斑质心位置表达式，可分析和确定由于振幅调制和相位畸变导致的质心位置偏移。最后，对无相位畸变和存在低阶泽尼克相位畸变情况下的简单畸变光束进行了相应的分析讨论。     

折射率失配对双光子三维光存储中像差的影响

双光子吸收三维光信息存储是实现高密度光存储的重要方法。三维数据写入过程中光束需经过两层不同的介质(如空气和存储材料),对像差和存储效果产生很大的影响,因此在理论和实验上分析系统各项光学参量对折射率失配引起的像差和存储效果的影响具有很大的意义。首先建立光学存储系统模型,在平行平板条件下,利用波像差函数推导展开,获得五项初级(赛德耳)像差,即球差、彗差、像散、场曲、畸变,然后对于存储材料在水平和倾斜两种情况下对初级像差进行模拟计算与分析,理论模拟与实验表明:物镜的数值孔径越大,像差随着存储深度增加而增大的速度就越快。     

超大视场折反射全景光学成像系统设计

折反射全景光学成像系统具有平面对称光学系统的成像特性,提出应用光焦度控制方程和超大视场光学系统六阶波像差理论来初步确定系统结构初始参数,在此结构基础上,应用Zemax软件对其进行设计和优化,得到了一款仅由1块偶次非球面反射镜和6块折射透镜组成的折反射全景光学成像系统。该系统工作在可见光波段,全视场角范围为12°～178°,F数为3.5,其像差得到了较理想校正,调制传递函数在空间频率40 lp/mm处均大于0.37,成像性能较好,满足实际应用要求。同时,对设计的系统进行了公差分析。