钕玻璃宽带激光放大能量提取效率研究

基于钕玻璃宽带脉冲激光放大模型,采用数值模拟的方法,研究了钕玻璃放大器对不同输入光通量、不同脉宽以及不同带宽(或波长分布)脉冲激光放大的能量提取效率。计算结果表明,钕玻璃宽带放大能量提取效率随着输入光通量的增加而提高,并最终趋于某一定值。对于以均匀加宽为主的介质,随着带宽的增加,能量提取效率逐渐下降;对于以非均匀加宽为主的介质,随着带宽的增加,能量提取效率先逐渐升高,达到最大值后开始下降。对于均匀加宽与非均匀加宽线宽比为0.1的混合加宽介质,在饱和通量输入条件下,使用宽带激光能够带来大约80%的效率提升。     

光在非均匀介质中传播规律的演示

光在介质中的传播规律遵循费马原理,如：在均匀介质中,光沿直线传播．在非均匀介质中,光的传播轨迹比较复杂,与非均匀介质的状态有密切关系．尽管海市蜃楼和沙漠幻影是大自然中能够看到的光在非均匀介质中的传播现象,但只有在一定条件下才能出现,不是随时可以看到的．为了能在光学教学中让学生能够看到光在非均匀介质中的传播,本文利用白糖溶液和水之间扩散形成的浓度非均匀区域,实现了光线的非直线传播．通过光线实际传播的路径,计算了非均匀区域液体折射率的相对变化．这一演示实验取材简单,容易实现,对学生思维训练具有一定的借鉴意义．     

梯度折射率非局域介质中空间孤子振荡行为研究

应用等效粒子近似方法研究了光学空间孤子在带有局域和非局域非线性横向非均匀介质中的传输动力学行为.发现孤子在传播过程中横向的周期性振荡.折射率调制幅度和波导的归一化宽度决定了振荡周期的大小.介质的非局域对振荡振幅有着较小的影响.模拟了孤子传输过程,所得数值结果与理论分析符合很好.此外,模拟传输还发现多孤子束缚态能够在这个模型中稳定传播.这种振荡特性或许可以应用于光学路由器、转换器、开关等.     

非均匀部分相干光束在自由空间中的传输

本文介绍了非均匀部分相干光束的概念, 并用数值模拟的方法详细研究了其在自由空间传输后的变化. 研究结果表明, 经过自由空间传输后非均匀部分相干光束会发生不同于传统相干模型光束的显著变化. 这种变化和光束传输距离、光源空间相干度分布、光源光强分布密切相关. 经过传输后, 源平面自相干附近点的空间相干度发生突变, 在短距离传输过程中源平面高相干区域的空间相干度会降低, 接收面各点的空间相干曲线不再相同, 随着传输距离增加, 非均匀空间相干度会逐渐趋于均匀.     

随机介质介电常量的涨落与光波的空间分布

采用随机介质统计模型和时域有限差分方法模拟了二维随机介质中光场的空间分布及其同介电常量涨落的关系。模拟中,散射微粒随机地分布在均匀介质中以增加光子在介质中滞留时间。不同随机强度α,形成不同空间结构的随机介质。通过小心地调节入射光波长,得到了不同随机介质中的场强分布。结果表明,随机介质介电常量的涨落导致在介质的某些区域形成一些特殊结构。这些结构延长了光子在其中的滞留时间,产生了光波的局域态,起到了光腔的作用,使得随机介质在抽运激励下能够产生激光辐射。这样的光腔在介质中是随机分布的,其数量与分布特征与介电常量涨落的强弱有关。     

基于Mie散射理论的白光发光二极管荧光粉散射特性研究

基于Mie散射理论,对大功率发光二极管封装中荧光粉的光激发、吸收、散射等作用进行数值模拟,仿真计算在不同白光色温时前后向散射光的强度比例,研究了荧光粉的颗粒大小对白光发光二极管最大光通量的影响.对保型荧光粉涂覆结构中不同直径荧光粉颗粒和不同色温时的光效进行了分析,还分析了同样色温下不同荧光粉颗粒直径、涂层的厚度对白光发光二极管出光的空间色温分布均匀性的影响.研究中所采用的器件激发光谱和发射光谱都为材料的实测光谱,而并非假设的单一光谱.研究表明:在采用保型荧光粉涂覆结构的前提下,当荧光粉颖粒直径为0.5μm时能使发光二极管光通量达到最大;荧光粉颗粒越小,发光二极管空间色温分布均匀性越好;对给定的封装结构,荧光粉涂层厚度为0.8 mm时空间色温分布均匀性最佳.     

各向异性介质浮雕光栅体内光波场的传输

分析了各向异性介质光栅体内光波场的空间分布,并将RTRA递推算法推向了各向异性介质内光波场的传输.数值计算表明,光波场光强的空间分布随透射深度的变化而变化,各向异性介质光栅体内光波场的空间分布相对各向同性介质要均匀,光栅材料的性质参数和光束的入射参数对光波场光强的空间分布有较大的影响等.     

高重复频率水冷Nd:YAG激活镜放大器的温度特性

为解决高重复频率大能量激光放大器的热管理问题,采用数值模拟与实验分析的方法,对背面水冷Nd:YAG激活镜放大器的流体散热进行了研究.基于低雷诺数k-ε湍流模型,建立了流-固共轭传热多物理场藕合分析模型,对比分析了近壁面处理方法对流体流动、对流扩散和热传导过程及温度分布的影响,分析研究了不同冷却液流量和泵浦参数对流场特性、激光介质温度和波前分布的影响.数值模拟表明:激光介质的温度分布与固液边界层内的黏性作用密切相关,且冷却液的热扩散主要发生在100μm范围内;激光介质的热沉积分布中心对称,而温度分布沿水流方向不对称,最大温升位于出水口端且基本保持不变;增益介质前表面的温度分布与介质的波前分布随冷却液流量非线性变化,而随泵浦参数线性变化;实验结果与数值模拟符合较好.     

大面积表面波等离子体的特性研究

介绍一种矩形反应腔体结构的表面波等离子体源，通过对垫层介质及天线结构的优化设计，产生了大面积均匀的等离子体.采用静电探针测量了等离子体参数(密度，电子温度)在不同运行条件(气压，功率)下的空间分布；采用扩散模型，数值模拟了等离子体密度在垂直方向上的空间分布，并比较好地解释了实验测量结果. 关键词： 表面波等离子体 狭缝天线 数值模拟 探针测量     

多网格谱元法及其在高性能计算中的应用*

针对传统谱元法在每个单元内只能存在单一均匀介质,应用在复杂非均匀介质的波传播模拟中可能造成极大计算规模的问题,发展了多网格谱元法。该方法在谱元法单元内引入独立的辅助网格,用于精细描述单元内的介质和外力分布变化,在较稀疏的主网格上进行波场的求解。基于声波和弹性波方程推导了多网格谱元法公式,并对几种典型模型进行了波场的数值模拟。与传统谱元法的对比结果表明,此算法在复杂非均匀介质的弹性波传播模拟中可以利用较少的网格点数达到不低于传统算法的精度。此外,实现了并行化的多网格谱元法,获得了较好的并行效率。     

Finite element approximation of the Fokker-Planck equation for diffuse optical tomography

In diffuse optical tomography, light transport theory is used to describe photon propagation inside turbid medium. A commonly used simplification for the radiative transport equation is the diffusion approximation due to computational feasibility. However, it is known that the diffusion approximation is not valid close to the sources and boundary and in low-scattering regions. Fokker-Planck equation describes light propagation when scattering is forward-peaked. In this article a numerical solution of the Fokker-Planck equation using finite element method is developed. Approach is validated against Monte Carlo simulation and compared with the diffusion approximation. The results show that the Fokker-Planck equation gives equal or better results than the diffusion approximation on the boundary of a homogeneous medium and in turbid medium containing a low-scattering region when scattering is forward-peaked.     

Principles of fluorescence laser tomography of strongly scattering media

The propagation of laser radiation and fluorescence excited by it in a strongly scattering medium are analyzed in the diffusion equation approximation. The possibility of applying efficient algorithms of the tomographic reconstruction with the use of mean paths of photons in biotissues to fluorescence laser tomography is substantiated.     

多维梯度折射率介质内辐射传递的扩散近似

推导多维梯度折射率介质内稳态辐射传递的扩散近似方程.使用有限元法对扩散近似进行离散和求解,利用两个二维半透明介质的稳态辐射传递问题验证该扩散近似的精度及适用性.算例考虑介质为均匀折射率及梯度折射率两种情况.利用扩散近似分别求解辐射平衡时的边界热流、介质内温度场分布,并与辐射传递方程的求解结果进行对比分析.结果表明:介质折射率变化、散射特性、光学厚度及散射反照率均直接影响扩散近似的精度;在光学厚及强散射条件下,该扩散近似可以作为一种快速算法应用于梯度折射率介质稳态辐射传递的求解.     

Simulation of the propagation of a light pulse in a randomly inhomogeneous medium

The propagation of a Gaussian pulse in an inhomogeneous medium is considered. The detected pulse is represented as a series in the scattering multiplicities. The developed approach enables one to describe the passage of a pulse through a randomly inhomogeneous medium in the general case, beyond the framework of the diffusion approximation. The known results of the diffusion approximation are shown to represent limiting cases of the expansion constructed in the scattering multiplicities. The calculations are performed by the Monte Carlo method for cases of singly and multiply scattering media. The agreement between the results of the theoretical analysis and the numerical simulation allows one to use the approach developed in both optical problems and investigation of propagation of waves of other nature, in particular, seismic waves.     

连续光在生物组织中能流率分布的漫射近似和模拟

分析了半无限大介质漫射近似不同边界条件的镜像光源结构,用镜像光源的方法给出了连续光入射时稳态能流率分布的漫射近似表达式,并用Monte Carlo方法对能流率分布进行模拟,分析了两种模型能流率分布的特点及其形成的机理;用Monte Carlo模拟结果检验了能流率分布漫射近似的精度,结果表明:漫射近似采用EBC边界条件的结果有较高的精度和计算较简单等优点,为能流率分布的快速准确计算提供了依据.     

沙尘天气下激光信号的传输特性

以小角度近似为条件,利用逐级递归的方法推导了激光信号在沙尘天气下的辐射传输方程,得到了多次散射下的光强分布函数,以及波长和不对称因子对光强的影响。同时,通过比较不同散射相位函数及沙尘粒子的散射特性,采用了修正的TTHG(Two Term Henyey-Greenstein)散射相位函数,更加全面地反映了沙粒散射后光强的变化规律。研究结果表明,随着光学厚度的增加,散射光强呈现出先增大后减小的趋势,且多次散射的比重相比于单次散射而言逐渐增大。当散射次数超过3次以上时,接收光强的变化可以忽略不计。相对于Mie理论下的结果而言,采用小角度近似理论,从辐射传输的角度分析沙粒的散射特性误差更小,实现了准确描述沙尘天气下激光信号传输特性的目的。     

空间差分格式对有限体积法数值散射的影响

数值散射是辐射传递方程近似算法中最常见的离散误差。本文主要讨论空间差分格式对有限体积法数值散射的影响。构造激光平行及倾斜入射的物理模型,验证和比较阶梯格式、中心差分格式及指数格式下温度场的计算精度及数值散射特性。计算结果表明,在激光平行入射与倾斜入射两种情况下,阶梯格式引起的的数值散射比菱形格式及指数格式要多,但其计算精度高于菱形及指数格式。不同激光入射条件下,各种差分格式表现出的数值散射分布有明显的差异。     

光折变介质中空间光孤子自弯曲现象研究

光折变非线性介质在外加直流电压时会引起介质内部电荷移动,而移动后的电荷又会导致空间电荷的扩散效应,从而产生非局域非线性现象。从理论上研究了具有流动和扩散非局域非线性的光折变晶体中所支持的空间光学孤子的传播行为。应用等效粒子近似方法分析了这类介质中(1 1)维空间光学孤子动力学行为,得出孤子运动"加速度"显式解。孤子的有效"加速度"决定于孤子参量和光折变非局域参量。所得的解析结果可在一定参量范围内直接用来计算孤子的传播轨迹。对孤子在光折变非局域非线性作用下的传播动力学行为做了仿真模拟,数值模拟结果与理论分析结论符合得很好。     

Breakdown of wave diffusion in 2D due to loops

The validity of the diffusion approximation for the intensity of multiply scattered waves is tested with numerical simulations in a strongly scattering 2D medium of finite extent. We show that the diffusion equation underestimates the intensity and attribute this to both the neglect of recurrent scattering paths and interference within diffusion theory. We present a theory to quantify this discrepancy based on counting all possible scattering paths between point scatterers. Interference phenomena, due to loop paths, are incorporated in a way similar to coherent backscattering.