强激光对传输光学元件热效应的数值模拟研究

强激光通过反射镜、窗口等光学元件传输过程中，光学材料对激光会有微弱的吸收，由此引起光学元件的热畸变，影响传输效率和远场能量集中度。基于三维瞬态热传导方程和弹性应力-应变方程，研究了波长1.315μm非对称环形强激光束辐照下硅反射镜、白宝石窗口的温度、变形和应力的分布规律，特别研究了激光强度、激光输出时间、光束遮拦比、光强分布的空间梯度等对元件热效应的影响；还研究了波长3．8μm非对称空心矩形激光束辐照下氟玻璃窗口温度、变形和应力的分布规律。计算了变形对光束波前位相和光束质量的影响。     

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。     

强激光腔镜温升对腔几何参数和远场光强的影响

 利用交替方向隐式有限差分法分析了高能激光器虚共焦非稳腔反射镜的温度场及热变形的数值计算方法。以单晶硅为例，计算了反射镜由于吸收激光能量而形成的温度场分布以及由此引起的热变形对谐振腔几何结构参数的影响，并在此基础上数值模拟了热畸变情况下正支虚共焦非稳腔的远场光强分布。计算结果表明:在激光束辐照的开始阶段，温升场主要集中在激光束辐照的中心区域内，在整个镜面上远未拉平，由此引起的厚度方向温升分布也是如此，很不均匀。     

强激光辐照下窗口材料靶传热及热应力破裂的解析分析

用有限Ｈａｎｋｅｌ积分变换法对轴对称强激光束辐照下平面薄靶（或薄膜）传热及热应力分布进行了解析推导，得到了随时间演变的温度场及相应的热应力场的解析解。对比有关实验，对强激光束辐照窗口材料（例如ＭｇＦ２晶体、Ｋ９玻璃）靶引起其脆性热应力破裂进行了分析，详细讨论了激光强度、激光－靶能量耦合系数、辐照时间及光斑尺寸等因素对靶的破坏的影响。     

热压载荷作用下气体检测光学窗口对激光传输影响

采用有限元方法研究了不同热压载荷作用下多组分气体原位激光检测系统的光学窗口变形分布情况,并根据热光效应计算得到光学窗口折射率分布。采用光线追迹法对比分析了氮气吹扫前后光学窗口折射率变化及变形对到达接收面的通光量和辐照度分布影响规律。此外,基于高温光学窗口激光透射测试平台开展了高温光学窗口对检测信号影响研究。结果表明:高温高压环境会使光学窗口折射率变化幅度增大及变形加剧,导致激光光路偏折引起透射光强损耗和探测信号条纹干涉;氮气吹扫可以有效改善激光传输条件,增加到达接收面的通光量,优化辐照分布,提高激光传输质量。     

激光器结构与设计

TN242 2004064133 激光窗口热透镜效应对光束质量的影响=Influence of laser window’s thermal lensing effect on beam quality[刊,中]/安建祝(北京应用物理与计算数学研究所.北京(100088)),李有宽…∥强激光与粒子束.—2004,16(4).—429-433 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、折射率随温度的变化,忽略光弹性效应,解出出光面的波面相差分布,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(SiO_2)和白宝石(Al_2O_3)两种     

环状连续强激光下光学薄膜的瞬温和热畸变

详细研究了非冷却光学薄膜元件在环形激光光束辐照下的瞬态温度分布和随后的热畸变，并且用泰曼干涉仪实际测量了连续波氧碘激光辐照各种非冷却光学元件的热畸变量并与理论计算相比较，分析结果表明理论和实验相一致。     

变形镜受热变形引起的波前畸变仿真及补偿

针对变形镜自身受强激光辐照后热变形问题,利用ANSYS的多物理模型建立了变形镜的热机械模型并进行了计算。针对受强激光辐照后变形镜吸收了部分热量并产生了0.9μm的变形量,根据该变形镜热畸变分布特征,提出了一种利用补偿镜对热畸变进行补偿的方法,即在一个薄型镜面背后用一些约束头固定构成补偿镜,放置在变形镜的后续光路中。约束头在补偿镜上的位置与极头在变形镜上的位置对应错开分布。对三种不同形状约束头的补偿镜进行了计算,补偿后综合变形量降低到0.35,0.32和0.40μm。利用光束传输因子(BPF)对理想光束通过补偿镜后的效果进行评价,结果表明通过三种补偿镜后BPF值从0.906提高到了0.966,0.971和0.957。进一步的计算表明,补偿效果受约束头尺寸的影响较小。     

扫描环形光斑激光束优化研究

激光束的形状和能量分布限定了激光的应用范围,为满足不同的激光加工需要,必须对激光束进行变换。针对实验室用CO2激光器在热处理方面的应用,提出了激光扫描环形光斑光束优化法。基于温度场叠加原理建立了扫描环形光斑温度场的数学模型,模拟其温度场,可得到其温度分布特性;通过实验研究,分析了聚焦光斑与扫描环形光斑在激光淬火中对材料的热作用效果。结果表明,扫描环形光斑能改善激光热处理硬化层分布。理论和实验研究表明,激光扫描环形光斑技术可以实现激光热处理光束的优化,有一定的应用前景。     

激光辐照下镀铬介质高吸收镜的热变形

为了分析激光辐照下反射镜热变形对光束质量的影响, 本文建立了激光光束45°角入射时镀铬介质高吸收镜的热固耦合模型, 对不同辐照光束下反射镜的热变形和镜体厚度对热变形的影响进行了分析, 并用哈特曼波前传感器对自由边界条件下的镜面热变形进行了检测。结果表明:吸收功率在0.085~0.185 W时, 镜面热变形随吸收功率的增加近似线性增加, 随辐照光斑的增加而减小;反射镜厚度在1~5 mm范围, 镜面热变形基本不变。在激光照射的初始阶段, 反射镜表面温度和热变形迅速增加, 在激光连续照射20 s后, 镜面温度增加量逐步变缓, 镜面热变形则在1 s以内就上升至0.27 μm, 之后变形量缓慢增加, 在100 s后达到相对稳定状态;关闭激光后, 镜面在120 s后恢复到初始状态。分析表明, 产生误差的因素主要为光斑大小和辐照光束入射角度。     

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%。     

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。     

高功率多程激光放大系统的优化设计

利用光束传输模拟程序对高功率多程激光放大系统进行了优化设计, 所用方法和所得结论对高功率激光放大系统的设计有应用意义。     

高空高速航空相机光学窗口的热光学分析

分析航空相机光学窗口的热光学特性,选定熔石英作为窗口玻璃的材料,将热流密度加权分配到窗口外表面各个区域,并考虑整个窗口玻璃的辐射来计算其在一个工作循环内的温度分布。高空高速飞行时,气动热使窗口外表面的温度急剧上升,由于熔石英的导热率很小,窗口产生很大的轴向温差,分别取轴向温差55℃,70℃和90℃时的工况计算窗口热变形;光学窗口内、外表面的变形规律为近似球面,计算了其近似曲率半径,计算由面形变化和折射率变化引起的光程差并转化为Zernike多项式;将Zernike多项式系数带入Code V中考核窗口玻璃的光学性能,得到波像差变化量,其像面离焦量为-0.114mm,调制传递函数的下降最大值小于0.01。结果表明,光学窗口满足光学性能的要求。     

转动窗口在高能激光器中的应用

 为满足高能激光从谐振腔真空室到大气环境的输出要求,减小窗口热变形对输出激光束性能的影响,提出了一种通过旋转固体窗口降低其受辐照功率密度的解决方案。该方案通过大力矩空心直流电机带动固体窗口匀速转动,并采用高精度动密封圈隔离真空和大气,使得强激光对CaF2窗口的辐照均匀化,从而大大减小CaF₂窗口的温度梯度和应力,极大改善了输出光束性能,并有效避免了长时间出光时CaF₂窗口炸裂现象的发生。研究结果表明：该方案具有体积小、重量轻、结构紧凑、使用方便和性能可靠等优点,可有效改善激光器输出光束质量,使高能激光长时间输出成为可能。     

空间相机光学窗口的热光学评价

光学窗口是空间相机光学系统中直接暴露在轨道热真空环境中的光学元件，所处的热环境非常复杂，要产生温度梯度，从而对空间相机的成像质量和分辨率产生影响，文中结合工程实际，以光学波像差的基本理论为基础对空间相机光学窗口的非轴地称温度场进行了热光学评价，编程计算了空间相机光学窗口在一个轨道周期内各典型位置处的均方波像差，并把计算结果与美国“天空实验室”光学窗口的相应数据进行比较，以验证本文热光学分析的合理性     

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。     

高功率激光器窗口三维温度场分析及其热透镜研究

对高功率激光器输出耦合镜的受热情况进行了分析,在实际工作模型下 设定了圆柱坐标下的热传导方程边界条件。对高功率激光器输出耦合镜所处的物理状态进行了符合实际情况的简化,求得了热传导方程的解析解。对GaAs窗口材料分析了高功率激光器输出耦合镜内部温度分布,在考虑了材料折射率与线膨胀系数随温度变化的因素后,计算了等效光程变化及其引起的热透镜效应。