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。     

单源单极等离子体天线辐射特性实验研究

为了对等离子体天线进行更深入的研究,必须结合实验获得其真实辐射特性,为此搭建了天线辐射特性测量平台,对单源单极等离子体天线的辐射特性进行了详细的实验研究。通过测量辐射远场区接收天线感应电压数据,得出了天线的辐射方向图、主旁瓣宽度和方向系数;通过与金属天线的辐射场最大值对比,得出了天线的辐射效率;通过测量输入功率和反射功率得出了天线的输入阻抗。此项工作弥补了在等离子体天线研究中实验研究不足的问题。     

腔内倾斜扰动对正支共焦腔本征模式的影响

针对激光器出光过程中腔内像差扰动带来的光束质量下降问题，分析了正支共焦腔腔内不同位置倾斜扰动对本征模式的影响，采用数值迭代法计算了理想状态及腔内不同位置倾斜扰动状态下的本征模式、相位Zernike像差拟合系数.结果表明：对大小给定的扰动，相位相对敏感性从凸面镜到凹面镜逐渐增加，且腔模倾斜像差增大的同时还将导致离焦、像散等高阶像差的增大，因此作腔内补偿时，应使补偿平面尽可能靠近凹面镜.     

激光通道传输热特性对远场光束质量的影响

 通过仿真计算分析了激光在光束控制系统通道内传输所产生的热效应及其对远场光束质量的影响。激光传播由近轴波方程描述，用快速傅里叶变换技术求解；激光热效应引起的流场密度变化采用完全Navier-Stokes方程计算。计算给出了不同波长、不同吸收系数条件下的远场光斑情况。计算结果表明，在典型的工作条件和状态下，较高能量激光在光束控制系统通道内产生的热效应影响不容忽视，它会明显降低远场目标处的能量集中度，增大光斑的发散。     

沿Z型光传输管道轴向吹气对激光传输的影响

针对在Z型管道中传输的高能量密度激光束受到的气体热效应问题，采用光波标量衍射方程计算光传输、N-S方程计算管道内流场，仿真计算了以不同的速度沿管道轴向吹入对激光能量无吸收的气体时，由于气流扰动对出射光束远场光斑质量的影响。结果表明，在采用纵向吹气减小气体热效应对光束传输的影响时，应尽可能采用大气量、低流速的方案，既有利于排空管道中的杂质气体，减小气体热效应，又有利于减小管道中流场密度分布的不均匀性，从而保证出射光束的质量。     

细光束在钝锥体外流场中的追迹

飞行的钝锥体外流场在密度分布上具有强烈非均匀性，这将导致其传输的细光束在远场靶面上产生偏移，从而影响其光学探测系统的作用精度。探讨并给出了任意折射率分布介质中的光线追迹方法。利用该方法对钝锥体外流场中的细光束路径进行了计算。计算结果表明：在所选位置上，锥体外流场对光线的出射角有明显的影响，但不是特别剧烈；当钝锥体表面加冷却源后，流场密度梯度变化加大，光束出射角的脱靶量明显加大。校正外流场为分析钝锥体上光学系统引入的目标脱靶量提供参考依据。     

光路交叠对强光传输的影响

实验中观察到高能激光束通过光程总长、气体环境等条件相同,但局部布置不同的光路后,其接收光斑峰值功率密度、波前离焦和高阶像差等光束参量有差异.对此问题,选择Z型和X型两种总长度相等的光路在相同气体环境下进行了数值研究.结果表明,产生上述差异的主要原因是由于两种光路中光束交叠区域大小和形状不同引起的气体热效应产生的附加相位有所不同.而且对不同特性的光束,该差异也不同.对高斯光束,两种光路中气体热效应对光束影响的差异较小；对平顶高斯空心光束,两种光路中气体热效应对光束影响的差异较明显.因此,为抑制气体热效应对光束的影响,在考虑其它因素的同时,应尽可能减小光路中的光束交叠区域.     

飞行器外流场对光传输的影响

针对细光束在飞行器外流场中传输受流场影响的问题，发展了光波标量衍射方程和气体运动的完全可压缩Navier-Stokes方程耦合的方法，并结合长度加权插值技术，对光束在飞行器定常外流场中传输的情形进行了数值仿真分析.结果表明,通过飞行器外流场的光束会发生偏转和离焦，为保证飞行器上光学装置的正常工作，须考虑必要的调校或补偿.     

用H-S波前传感器测量穿过超声速流场的激光像差特性

 用Hartmann-Shack(H-S)波前传感器可以准确测量穿过超声速流场的激光波面及其变化过程，进一步计算可以获得光束质心漂移、远场分布等数据。给出了H-S方法测量穿过超声速流场激光波面的原理，采用模式法进行了波前重构，计算了在几种流场条件下的激光波面像差特性PV值，RMS值和Zernike像差系数、Strehl比和环围能量曲线等。结果表明，H-S法可以很好地反映流场建立、稳定和结束过程中Zernike像差的变化。比较无流场和给定参数的超声速流场，激光穿越后产生的最明显的像差变化为离焦和低阶像散的增大。在相同流场参数下，无模型时光束质量好于有模型时光束质量。     

吹气抑制气体热效应时管道结构对光传输的影响

 采用吹气抑制气体热效应对光传输的影响时，管道结构会对内通道流场分布产生作用从而影响光传输质量。对比研究了沿几何尺寸相同、光路总长相等的U形和Z形管道轴向吹气的情形。仿真过程中，联合求解标量衍射方程和N-S方程,计算管道对吹气流场的影响以及流场对光束的影响，以远场光斑的峰值功率密度点、能量分布重心点位置的偏移以及Strehl比和b值的变化反映光束质量。结果表明:不吹气时，管道结构对流场的影响远小于气体吸热对流场的影响；吹气时，管道内气体流速较大，管道结构对流场分布的影响比较明显；吹气时，U形管道对光束的影响比Z形管道对光束的影响要小。