激光窗口热效应和应力双折射的分析

 分析了平板窗口在激光加热和内外压强差作用下对光束带来的附加相移，详细讨论了应力双折射部分的相移，计算了CaF₂窗口的温升、应力、附加相移、远场Strehl比和退偏度等的分布。结果表明：窗口变形和折射率随温度变化是产生附加相移的主要原因，窗口的非均匀温升将导致光束质量下降，应力双折射部分的相移与窗口表面Miller指数有关，对入射光产生一定的退偏效应，从而影响光束质量。     

非线性介质表面缺陷对激光光场的调制

以高斯光束为例,研究了非线性介质表面振幅调制型缺陷对光场的调制。基于广义惠更斯-菲涅尔衍射积分并采用泰勒级数展开方法,建立了高斯光束经过表面存在缺陷的非线性介质后的传输模型,得到了受缺陷调制光束经非线性介质后的光强分布解析式,研究了缺陷尺寸和光束在非线性介质中产生的附加相移大小对光强分布的影响,结果表明介质表面的缺陷尺寸越大,介质内产生的附加相移越大,光场受到的调制越严重。分别考虑了非线性折射率为正值和为负值的情况,研究发现相应的折射率值导致光束发生会聚或发散现象,并由于缺陷调制的作用,在光束传输过程中始终存在一光强极值点,且随着附加相移绝对值的增大光强极值点的峰值也随之增强。     

超高声速飞行器光学窗口气动光学效应分析

超高声速飞行器在大气中飞行时,由于气动热和气动力的作用,光学窗口会产生严重的气动光学效应,使目标图像发生像偏移、抖动、模糊和能量衰减。利用有限元分析方法对光学窗口的热光效应、弹光效应和窗口热变形进行研究,计算了由热光学效应、光学窗口热变形引起的点扩散函数峰值大小及峰值位置(像偏移)随时间的变化趋势。根据对温度场的分布分析,计算了温度梯度对透过率的影响以及透过率与窗口热辐射随时间变化的趋势,可为光学窗口的设计、材料的选择及后期的图像处理提供依据。     

激光窗口热透镜效应对光束质量的影响

 分析了高功率激光通过窗口时，引起的窗口热透镜效应及其对激光光束质量的影响。用冲量定理方法，推导了二维热传导方程的广义傅里叶级数解，然后按照平面热应力问题，运用有限元方法数值计算热变形。考虑热变形、折射率随温度变化，忽略光弹性效应，解出出光面的波前相差分布，讨论了远场光束质量。以空心环形光束为例，计算了熔融石英(SiO₂)和白宝石(Al₂O₃)两种常用窗口的温升分布、热变形、波前相差和光束质量，分析了冷却、辐照时间、光强分布的空间梯度和各种材料参数对光束质量的影响。     

被圆相位片衍射的空心高斯光束的远场矢量结构特征

基于麦克斯韦方程组解的矢量角谱表述与稳相法,在仅有远场近似的条件下,得到了被圆相位片衍射的空心高斯光束远场能流密度分布的解析表达式.结果表明,光束的总能流可以表示为自由项与附加项之和,其中附加项是相位片对能流分布的影响;总能流、自由项能流、附加项能流又可以分别表示为各自的TE项和TM项之和.利用所导出的公式,描绘了空心高斯光束的总能流、自由项能流、附加项能流及其各自的TE项与TM项能流的横截面分布图.讨论了截断参数与附加相移对纵向总能流分布的影响.     

剪切电子散斑平移棱镜相移方法研究

在剪切电子散斑干涉中,由于错位的二物光束同向传播,很难将二物光分开引入附加相位的方法来实现相移.平移棱镜相移法可以在二束物光不分开的情况下实现相移.本文对平移棱镜相移法进行了理论分析,证明平移棱镜可以引入稳定、线性的附加相位,给出了附加位移与附加相位之间的关系式.利用周边固定、中心加栽的圆盘进行实验,给出了实验结果,证...     

剪切电子散斑平移棱镜相移方法研究

在剪切电子散斑干涉中,由于错位的二物光束同向传播,很难将二物光分开引入附加相位的方法来实现相移.平移棱镜相移法可以在二束物光不分开的情况下实现相移.本文对平移棱镜相移法进行了理论分析,证明平移棱镜可以引入稳定、线性的附加相位,给出了附加位移与附加相位之间的关系式.利用周边固定、中心加载的圆盘进行实验,给出了实验结果,证明平移棱镜相移法可以有效地从干涉条纹中定量提取位移导数信息.     

高功率脉冲光隔离器非线性及热效应分析

从理论上分析了脉冲情况下,磁光晶体横向温度梯度引起的光弹效应、消光比以及克尔效应对光隔离器隔离度的影响,并与连续入射情况进行了对比。结果表明:在平均功率相同的情况下,脉冲光束入射比连续光束入射情况隔离度更低;当平均功率较小时,消光比对隔离度的影响较大;当平均功率较大时,消光比对隔离度的影响有限,主要表现出光弹效应对隔离度的影响;当峰值功率密度较大时,克尔效应将显著降低隔离度,并且峰值功率密度越大,对隔离度的降低程度越大。     

自然双折射晶体中热致双折射效应的研究

激光振荡器和激光放大器中激光晶体的热效应对光束特性有着重要的影响,不仅改变了光束的波前,还影响了光束的偏振态。基于激光晶体内的弹光效应,通过对光率体的主轴化,研究了自然双折射晶体中的热致双折射效应。结果表明,弹光效应对自然双折射晶体光率体的影响主要表现为横截面内椭圆主轴的偏转,主轴偏转角度小于0.01°。在激光振荡器和放大器中,一束线偏振激光经过具有热效应的自然双折射晶体之后退偏率小于1.8×10-8,这种条件下热致双折射效应的影响可以忽略,这与光学各项同性晶体完全不同。     

基于有限元的平面光波导粘接热应力分析

基于有限元理论对阵列光纤和波导芯片粘接情况进行了建模与仿真,分析了在温度变化下不同粘接区域厚度的热应力和微位移的产生和分布,结果表明粘接界面的边缘区域对温度变化最敏感.根据光弹效应定性分析了粘接区域的应力双折射,并利用光束传播法计算了由此微位移所导致的光功率损耗,结果表明若以附加损耗小于0.15 dB的标准考察,则必须要求粘胶厚度的理论值在16 μm以内.总结了温度变化和在相同条件下不同粘胶厚度对平面光波导封装性能的影响规律.     

基于二元光学设计的高能激光窗口的初步探讨

对非均匀近场强度分布影响强激光远场聚焦效果的原因进行了分析。对高能激光窗口进行了二元光学设计。提高了光束强度分布的均匀性,改善了光束质量。介绍了二元光学设计的基本原理,采用随机并行扰动爬山法对窗口的位相分布、变换后的光束强度分布、衍射效率和光束均匀性进行了计算。计算结果表明,基于二元光学设计的激光窗口能有效地改善光束强度分布的均匀性,提高了发射光束的质量。     

Behavior of the Water-Cooled Polycrystalline Diamond Plate at Extreme Densities of Laser Radiation

Resistance of a water-cooled polycrystalline diamond window is experimentally studied in the beam of the 10-kW fiber laser. The irradiated zones are 4 and 0.4 mm in diameter. It is shown that the transmitted beam is not distorted when the power density increases to 7 MW cm^?2. It is found out that the temperature difference of a few hundreds of degrees between the center of the diamond window and its water-cooled edge does not deteriorate the distribution quality of the laser beam transmitted through the window, which allows the arising thermal lens to be corrected.     

热晕效应数值模拟中对计算参数的选取

 根据数值计算的抽样原则,对激光大气传输数值模拟中如何准确地选取计算参数作了比较全面的分析,导出计算参数选取所应遵循的判据。结合高斯光束及平台光束准直传输热畸变后的相位分布,得到了网格间距与Bradley-Hermann热畸变参数的关系。在算出此热畸变参数后,便可选定合适的网格间距,由数值结果便能准确评价实际激光大气传输的效果。数值结果表明,相同网格数、不同网格间距下数值结果的差别相对较大,若网格间距选取不当,将给数值结果带来较大误差。     

环形分布激光束引起光学窗口镜热变形理论分析

 用有限Hankel变换就常见的环形分布激光束情形，推导得到了激光束辐照透过窗口镜引起热传导温度场和热变形分布的理论解，以此计算结果与实验值相比较，分析了白宝石、石英两种窗口镜在激光辐照下的热变形情况。分析结果表明，在激光束辐照的4s时段内，温升场主要集中在激光束辐照的环形区内，在镜面内远未拉平，由此引起的厚度方向热膨胀变形也很不均匀。材料对激光的吸收系数和热膨胀系数以及热扩散率分别是决定热变形量值大小和空间分布的最主要的物性参数。     

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。     

Thermal effects of a laser beam tube consisting of a window and nonflowing gas

High-energy laser systems include an optical train and a gas medium that must be capable of transporting and directing the beam. The optical train is termed a laser beam tube. Because of the finite absorption of laser energy, the thermal effects of the beam tube make the beam diffuse and cause degradation of the laser beam's quality. We study systematically a beam tube consisting of a laser window made from white bijou (i.e., Al2O3) or fused silica and a tube of nonflowing nitrogen or helium gas. The results show that the thermal effects of the window and the gas on the beam neutralize each other; in particular, in some cases they compensate for each other completely, such that the beam tube has no effect on the beam quality in spite of the fact that separately each has a severe effect. We explain how to acquire the specific cases.     

Influence of the Measurement Volume on the Phase Error in Phase Doppler Anemometry. Part 2: Analysis by extension of geometrical optics to the laser beam; Refractive mode operation

The influence of the measurement volume can be investigated by using extended geometrical optics, which is based on geometrical optics by including the amplitude and phase distribution in the laser beam. The dynamics in phase Doppler anemometry can be analysed, in addition to effects of the particle size-dependent detection volume. Extended geometrical optics has been developed as a powerful tool to investigate these influences for each order of light scattering separately. Phase errors caused by Gaussian-beam intensity distribution and the curvature of the wave fronts beyond the beam waist can easily be calculated. According to Part 1 (Reflective Mode Operation), the influence of the particle trajectories on measured phase and mass concentration is simulated for refractive mode operation.     

高功率CO_2激光器高反膜耦合窗热效应研究

为解决CO2激光器高反膜耦合窗在腔内高功率激光作用下产生的热效应问题,对耦合窗的温度场和热形变场进行了理论分析研究。通过谐振腔工作状态分析,首次提出了腔内振荡激光具有混合模式分布的表达式,并利用半解析热分析方法得出了在混合模式下耦合窗产生的温度场和热形变场的一般表达式,同时与将腔内激光分布作均匀分布、高斯分布假设下耦合窗的情况作了对比分析。研究结果,当腔内谐振功率为3800W、腔内激光混合模式分布时,耦合窗内表面中心最大热形变量约为0.91μm,作均匀分布、高斯分布假设分别造成最大热形变量偏小20.88%,偏大78.02%。