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。     

红外探测系统的激光辐照热效应仿真分析

为研究红外探测系统受激光辐照后的热效应与二次热辐射对探测器成像的影响,使用Ansys软件对红外探测器进行热辐射仿真和有限元结构仿真;采用黑体辐射定律和DO辐射计算模型模拟计算探测器内光学系统在不同激光辐照度下的温度随时间变化情况以及探测器内部温升对靶面成像的二次热辐射干扰情况;采用热弹性力学模型仿真计算探测器内部的热应力和热变形情况。结果表明:探测器受到1.06μm激光照射,矫正镜激光辐照度在50 W/cm²时,靶面受到二次热辐照度在0.6 s时达到100μW/cm²的量级,使红外探测器达到饱和;探测器受激光辐照后系统最高温度出现在矫正镜中心处,拟合得到系统最高温度与受照时间函数关系,可预测探测器升温结构破坏;最大热变形出现在矫正镜背面中心处,由外向内形成不等附加光程差,干扰探测器的成像效果;最大热应力出现在矫正镜前面中心处,得到最大热应力与激光辐照度间的线性关系曲线,为矫正镜热应力破坏提供预测参数。     

复合结构掠入射板条放大器热效应的模拟分析

为了研究复合结构掠入射板条放大器的热效应,采用在Nd:YVO4晶体抽运面上键合具有高热导率性能的蓝宝石的复合结构,并建立了相应的热力学模型,对激光介质的温度场分布、光程差（OPD）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、应变、光程差（OPD）及热焦距的分布情况。结果表明,板条厚度为2 mm、键合层厚度1 mm、抽运功率60 W时,复合结构相对于单一结构最高温度下降了约50 K,晶体中的最大形变量降低超过了1/3,极大地降低了介质中的热效应。     

时空联合调制成像光谱仪前置成像系统分析与设计

为满足红外成像光谱仪大光通量、高稳定性的应用需求,提出了一种基于多级阶梯微反射镜的静态化、无狭缝式、新型红外时空联合调制型傅里叶变换成像光谱仪结构.对其工作原理和光程差的产生方式进行了分析.作为该成像光谱仪的重要部件,前置成像系统决定了光程差的分布,其性能直接影响到目标物体的图像质量.根据系统光程差的产生方式,分析和设计了像方远心光路结构的前置成像系统.利用被动光学消热差方法对前置成像系统进行了消热差研究.结果表明:当温度在-20—60?C的范围内时,各个视场的调制传递函数均达到衍射极限,在多级阶梯微反射镜的总阶梯高度范围内成像质量良好;在不同的温度下,各视场处主光线在像面上的最大入射角小于0.02?.     

温度环境下空间遥感光学系统成像质量的检测

在离轴三反射系统热光学理论分析的基础上,利用热光学实验测试了光学系统在不同热环境下的成像质量。将实测温度代入有限元模型,计算表征镜面变形的Zernike系数。将Zernike系数输入光学设计软件,复算光学系统的理论成像质量,并与测试结果进行对比分析。结果显示,理论复算值与实验实测值相吻合,证明了理论分析的正确性。试验检测表明,系统在Nquist频率下,18℃时的静态传递函数为0．247;14～21℃时的静态传递函数为0．221～0．254,满足系统成像质量要求。     

集成光学建模工具及光机性能仿真分析

针对以往光机系统集成仿真存在的诸多缺陷,从光线扰动理论出发,开发了应用于集成仿真的光学建模工具软件。以某望远镜系统为研究对象,进行了有限元建模和模型转换,将模型数据植入MATLAB/Simulink仿真环境下,借助光学建模工具软件搭建了系统集成仿真模型,分析了在噪声干扰下对系统光学性能的影响。分析结果揭示了干扰信号对系统光束的扰动影响。仿真过程表明了该软件工具的适用性。     

平面光学镜低温温度场和热变形分析方法

在综合分析了温度场和热变形理论分析方法的基础上,提出了对空间光学系统中平面光学反射镜进行有限元分析具体方法;介绍了温度场特性经典理论,并对径向温度分布遵循二次规律的表达式作了简单推导;同时介绍了温度变化引起光学表面的Zern ike多项式法和用热力矩分析平面圆形板面形的方法;最后给出了用ANSYS和I-DEAS软件对联合光学元件热变形的计算流程。     

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。     

Study on the optical path difference of aero-optical window

To study the optical path difference (OPD) of optical widow in which light beams transmit under the aerodynamic thermal environment, a grid model is introduced. Based on it, the aero-optical effect of the side-mounted window is analyzed in detail combining the optical transmission theory and the numerical simulation method. Firstly, the temperature and stress of the window are simulated, and then the OPD is obtained through the refractive index. To demonstrate it, temperature field, deformation field and stress field of the window are calculated and analyzed. The influences of thermal shock and atmosphere pressure on the OPD are discussed.     

基于ZEMAX和Python软件的空间引力波望远镜光程差算法研究与实现

利用光学设计软件ZEMAX和Python软件联合实现空间引力波望远镜光程差(optical path difference, OPD)精密求解;通过动态数据交换(dynamic data exchange, DDE)实现ZEMAX软件和Python软件数据交换:首先,Python软件对有限元分析后望远镜镜面数据进行处理,并将分析结果通过DDE传输给ZEMAX进行光线追迹;其次,ZEMAX软件对追迹后的光线坐标再通过DDE传回Python软件;最后,Python软件通过全局坐标系,计算刚体平移带来的光程差和波前的变化。模拟1 mK温度变化下引力波望远镜的受力变形,通过ZEMAX软件和Python软件求解空间引力波望远镜光程差和波前变化,结果表明光程差精度为1e-13米量级,完全可以满足望远镜皮米级稳定性精度要求。本研究可为后续引力波望远镜光机结构方案设计中光程差分析提供技术参考。     

Gradient matrix of optical path length for evaluating the effects of design variable changes in a prism

The effects of variable changes on the optical path length (OPL) of optical elements such as a prism are generally evaluated by utilizing a ray tracing approach to determine the OPL before and after the variable change, respectively, and then applying a finite difference (FD) method to estimate the OPL gradient with respect to each individual variable. By contrast, this study constructs the gradient matrix of OPL of a prism which permits the effects of multiple variable changes to be determined in a single pass. The developed approach not only resolves the error inherent in the FD method as a result of the denominator being far smaller than the numerator, but also avoids the requirement for multiple ray tracing operations and therefore yields a substantial improvement in the computational efficiency. The validity of the proposed approach is demonstrated utilizing a Pechan prism for illustration purposes.     

激光二极管泵浦的重复频率大能量低温Yb:YAG激光器设计

为实现重复频率大能量激光输出,基于Yb:YAG激光介质低温下良好的热特性和激光特性,设计了12kW高功率激光二极管(LD)阵列泵浦的V型腔低温Yb:YAG激光器(液氮温度)。对于泵浦耦合系统和散热结构两个关键点,分别使用光线追迹方法和有限元方法进行了分析,提出了楔形真空窗口和低温热管等解决方案。模拟结果表明,该设计的激光器热效应较低,可实现重复频率大能量输出。     

月基望远镜热设计及热分析

为了利用月球观测地球等离子体层的优势,开展了月基望远镜的研究,并对其进行了热设计和热分析.分析了月基望远镜所处的空间环境.对望远镜各个部分进行了热设计;采用被动热控措施控制望远镜的温度水平,降低空间环境的影响;采用热疏导的方式对探测器进行散热.根据月基望远镜的空间环境、结构特点,以及采取的热控措施,在I-DEAS/TM...     

Inference of the electron temperature in inertial confinement fusion implosions from the hard X‐ray spectral continuum

Using the free‐free continuum self‐emission spectrum at photon energies above 15 keV is one of the most promising concepts for assessing the electron temperature in inertial confinement fusion (ICF) experiments. However, these photons are due to suprathermal electrons whose mean free path is much larger than the thermal one, making their distribution deviate from Maxwellian in a finite‐size hotspot. The first study of the free‐free X‐ray emission from an ICF implosion is conducted, accounting for the kinetic modifications to the electron distribution. These modifications are found to result in qualitatively new features in the hard X‐ray spectral continuum. Inference of the electron temperature as if the emitting electrons are Maxwellian is shown to give a lower value than the actual one.     

大口径光学元件环境热稳定性的有限元分析

 讨论了靶场光学元件在环境热载荷作用下的变形分析理论和数学描述，采用有限元分析软件ANSYS建立了靶场反射镜的模型，用靶场实测环境温度变化作为载荷，计算得到了反射镜在靶场温度变化0.3 ℃时，垂直镜面方向的变形及其在平行于镜面平面内的转角漂移。结果表明：在当前的温控条件下，光学元件在环境热载荷作用下的变形满足稳定性设计要求。并计算了几种环境温度变化下反射镜的变形和转角漂移。初步的结果表明：环境温度变化与反射镜的转角漂移成正比。     

机载相机非球面光学系统热光学特性分析

环境温度是影响非球面光学系统成像质量的主要因素之一，采用热光学特性分析方法，对某机载相机非球面光学系统进行热光学特性分析，通过有限元法分析相机光学系统结构热变形，并去除镜面表面刚体位移，将面型数据输入光学软件程序进行Zernike多项式拟合，将拟合结果导入光学设计软件中，对非球面光学系统成像进行性能评价。分析结果表明:热光学特性分析方法可以有效地对非球面光学系统的实际工作环境进行仿真，预测环境温度对光学系统成像质量的影响，对光学系统设计具有指导意义。     

Thermal optics distortion of face pump slab lasers with two pump arrangements

Two pump arrangements, which are the slow axis and the fast axis of LD stacks parallel to the length direction of the slab, are simulated. From the results the optical intensity along the width of the slab is Gaussian and super-Gaussian distribution, respectively. Then based on heat conduction equation and conductively cooling boundary condition, the calculation of the distribution of absorbed pump power, temperature and thermal stress with the tool of finite element analyses is performed. From these results we numerically calculate the thermal focusing in zigzag and perpendicular zigzag planes using the ray tracing method running at low and high repetition rates. It is found that the temperature distribution along width has a significant impact on the thermal stress and thermal optics distortion, especially running at high repetition rate or high average power. Finally, the conclusion was that the pump arrangement with the fast axis of LD stacks parallel to the length direction of the slab is superior to the slow axis of LD stacks parallel to the length direction of the slab in decreasing thermal lens effect and obtaining high beam quality.     

外腔半导体激光器在高低温下的机械形变与功率变化

外腔激光器具有窄线宽、低功耗的特征,主要用于相干光通信,实际应用中外腔激光器的输出光功率会在环境温度为高温或者低温时出现下降现象。通过使用有限元商用软件Ansys分析,发现高低温下机械结构会有微小的挠度变化,相较于常温,高低温下最大的挠度角度为0.04°。外腔激光器的腔长较长,结合光路仿真软件Zemax研究发现,微小的挠度变化会引起较大的光路变化,影响耦合效率,进而导致输出光功率降低。通过实验量测证实了光路变化,并基于挠度变化引起功率降低的理论,从设计角度提出了通过缩短腔长、加厚基座的方式来减小输出光功率随环境温度的变化。提出的模型与思路可以为类似产品的功率温度相关性分析提供量化分析思路。     

传导冷却单巴高功率半导体激光器热应力和smile研究

利用有限元模型分别研究了回流过程和工作过程中传导冷却高功率半导体激光器的正应力、切应力和形变,并借助理论公式分析了热应力和smile的产生原因和分布规律.分析表明,在回流过程中热膨胀系数不匹配造成的切应力是正应力和变形的根源,而在工作过程中,热膨胀系数不匹配和温度梯度共同影响着热应力和变形.在此基础上,将回流导致的剩余应力和变形作为初始条件施加在有限元模型上,对工作状态器件的热应力和smile进行模拟,以获得更精确的模拟结果.最后,通过有限元模型和实验手段研究了不同热沉温度对smile的影响.结果表明,工作过程会导致器件的smile增大,热沉温度的升高也会造成smile进一步增大.     

Aberrations of self-imaged patterns with two-dimensional periodicity

We develop a geometrical theory of aberration in the self-imaged patterns with two-dimensional periodicity. The patterns are considered to be a crossed-line grating or a periodic array of finite apertures. We first derive the raytracing equations for determining the optical path of a self-imaging ray. We then find the third- and fifth-order contributions to the wavefront aberration which arise from the difference between the optical paths of a self-imaging ray and of an actual ray. We also derive the expression of the ray aberration from the wavefront aberration. The ray aberration is classified into five distinct types by analogy with the cases in a refracting lens system. We show that the overall ray aberration is entirely undercorrected and the aberrated image patch is decentered from an ideal image point in the direction parallel to the direction tangent vector of a chief ray. The image evaluation technique discussed here will be useful in various applications related to self-image formation of two-dimensionally periodic patterns.