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。     

激光系统组件化仿真软件EasyLaser

针对国内一直以来缺乏一套能够对复杂激光系统进行全面仿真模拟工具的问题,在成熟仿真模块的基础上,基于组件化建模仿真思想研发了通用易用的激光系统仿真软件EasyLaser。它由通用的组件化建模仿真支撑平台SciSimu和8个仿真组件库构成,具备对光束的光学元件间传输、大气传输、电视成像、自适应光学校正、识别提取跟踪等复杂过程的建模与仿真能力。详细介绍了EasyLaser的物理仿真能力和软件特色,并利用EasyLaser软件搭建仿真光路模型,进行自适应光学系统对大气湍流效应的校正效果的分析和研究。     

湍流大气中聚焦平台光束焦移及光斑尺度

 通过理论分析和数值模拟,对聚焦平台光束大气传输的焦移问题进行了研究。聚焦平台光束在湍流大气中传输时,湍流将导致光束的束腰向发射点移动,且湍流越强移动的幅度越大;大气湍流强度相同时,聚焦平台光束发射口径越小,其束腰移动的幅度越大。另外,通过调节发射系统的焦距,使聚焦平台光束的束腰正好位于接收探测器处时,接收探测器上的激光功率密度并非最大,只有当发射系统的焦距等于激光的传输距离时,接收探测器上的激光功率密度才会最大。     

复杂目标光学散射截面数值仿真方法

研究复杂目标的几何建模、光学面元消隐和目标表面的光学散射特性.针对任意构型的目标,提出采用均匀光照明仿真图像进行光学散射截面（OCS）数值计算方法.通过自适应Z缓存方法,实现目标光学消隐面的计算,将这部分消隐面面积从目标OCS的数值积分中去除.研究近似镜面材料的空间模板褶皱表面的光学散射数值模拟方法,以及基于激光主动探测系统实验测量数据的目标OCS实验分析方法.根据某缩比例空间目标相对探测系统不同方位、俯仰角情况的OCS实验结果,校正OCS数值仿真参数.仿真结果与实验结果的图像比较和OCS曲线趋势大略一致,考虑到表面褶皱的随机性、姿态的测量误差和仿真模型有限的校准能力等因素,本文提出的数值仿真方法能够在一定程度上描述目标的OCS值.     

光束控制系统组件化仿真及运动解耦方法研究

利用激光系统组件化仿真软件构建了光束控制系统的组件化仿真框架,对几何/波动光学传输、光束定向器机架与其内部光学元件的耦合运动进行了仿真,提出了目标脱靶量数据和传感器图像自动更新、光束定向器机架与其内部多块快速倾斜镜控制驱动量自动解耦的数值仿真新方法,并在动态跟踪控制可视化过程中完成了光束定向器机架、多块快速倾斜镜驱动控制以及光学传输成像的仿真,满足了光束控制系统建模仿真的普适性、灵活性、易用性设计目标。最后,大气传输校正联合仿真实例证明:利用精跟踪、自适应光学技术能有效抑制大气低频扰动幅值,校正高频扰动的影响。     

激光动态光束定向系统的跟踪识别过程仿真

 根据目标和背景亮度计算公式和3维图形开发包,建立了仿真3维场景。基于仿真场景,对激光动态光束定向系统的跟踪识别过程进行了仿真研究。分析了跟踪、瞄准过程中各种误差的涵义,研究了视场大小、目标成像姿态对跟踪过程的影响,通过头部跟踪顶点滑动误差的理论值与仿真实验值的比较校验了仿真场景的建立与图像处理方法的正确性。研究了头部边缘跟踪算法,仿真结果基本满足了激光动态光束定向系统对跟踪精度的较高要求。     

氙气中辐射激波的发光特性

本文模拟研究了氙气中X射线加热产生辐射激波的发光特性.辐射激波采用Zinn模型计算,并在模型中输入氙气的辐射不透明度和状态方程参数.研究发现,辐射激波伴随着丰富的光学演化过程,激波对外辐射强度表现出两个明显的亮度峰值和一个亮度极小值,辐射光谱也经常偏离黑体辐射光谱.对氙气不同位置光学特性的分析可知,激波和内部高温区的辐射吸收系数的动态演化导致了辐射激波的发光位置和辐射强度的变化.     

非稳腔氧碘激光器近场杂散光传输特性

氧碘高能激光近场存在较多的杂散光,这些光会严重影响光束传输和光束质量控制。通过对杂散光的产生机理、类型和传输规律的分析和模拟确定了不同类型杂散光的测量方法。利用两个能量计测量了30m通道自由传输时的传输效率,利用测试光阑获得了通道内杂散光角谱曲线和镜面散射光能量。实验表明30m通道自由传输时的能量损失约为5.2%,杂散光的角谱随着传输距离的增加逐渐增大,角谱也会随着光束质量的恶化显著增加。利用角谱曲线可以获得通道内任意位置处光阑上的热负荷,这为高能激光热管理技术奠定了坚实的基础。     

长时热变形下硅反射镜的参量选择

 以硅反射镜材料为例,对长时热变形下镜面吸收率、镜夹持半径及激光功率等参量对氧碘化学激光输出光束特性的影响进行了研究,给出了参量选择范围。模拟计算结果表明:镜面吸收率是控制输出功率的关键因素之一,要保证在出光10 s内输出功率下降程度小于20%,吸收率应不超过3.0×10^-4。在四点夹持的情况下,镜面夹持半径大小与输出光束大小相关,当夹持半径与输出光束半径的比值大于1.40时,可以避免夹持过小造成的镜面边缘处发生畸变的现象。     

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。