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。     

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。     

连续激光内通道传输的弱可压缩流模型

 分析了激光在气体中传输时采用等压近似线性方程求解流场密度分布的优缺点，在高低速流场统一计算模型的基础上提出了基于压力原变量的分步求解的弱可压缩流计算模型，并分析了该模型的特点。采用该模型结合标量衍射理论对连续激光在封闭充气管道中受到的气体热效应影响进行了数值仿真。仿真结果与实验结果的对比表明，弱可压缩流计算模型能更精确地反映非自由边界热对流对气体密度分布的影响，进而反映流场对光束的影响。这说明弱可压缩流计算模型能较好地适应内通道光传输问题的仿真研究。     

Cassegrain激光发射系统的光路设计

为了提高激光探测系统激光的发射功率,在出射激光为基模的高斯光束的光路设计中,根据高斯光束经过光学系统的变换与传输特性,分析了系统采用Cassegrain望远镜时,其遮拦比以及入射光束束腰半径对光功率透过率的影响。通过具体的数值计算得出,随着遮拦比及入射光束束腰半径的增大,系统光功率透过率将减小,给出了望远镜遮拦比与发射孔径处光斑尺寸之间的最佳匹配关系,最后讨论了离焦误差（安装误差）为0.2mm时对出射光斑尺寸的影响。     

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。     

一般光束等效曲率半径的传输方程

给出了一般光束等效曲率半径在湍流大气和自由空间中的传输方程,推导出等效曲率半径达到最小值时光束的传输距离公式,解析地讨论了等效曲率半径的特性,并用数值计算例加以说明。研究表明,在自由空间中,一般光束等效曲率半径的传输方程与理想高斯光束的相同,当传输距离足够远时一般光束的等效等相面可以看成球面。但是,在湍流大气中,当传输距离足够远时一般光束的等效曲率半径仍然与光束参数有关,等效曲率半径随湍流的增强而减小。     

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.     

光束控制系统热效应与球差对激光光束质量的影响

采用Strehl比、桶中功率、β参数和束宽描述远场光束质量，研究了光束控制系统热效应和球差对远场激光光束质量的影响.用四维仿真程序作了详细计算，给出了数值计算结果并进行了物理分析.研究表明，传输通道的热效应和正球差会使远场光强分布扩展，可聚焦能力下降，光束质量变差.有意义的是，当激光发射功率达到一定值时，合适选取负球差会在几何焦面得到比无球差时更高的峰值光强和更好的可聚焦能力.但在以前的工作中，由于焦移，类似的结论是在实际焦面上得出的.非线性热晕的存在是其物理原因，对此用数值计算例子作了说明. 关键词： 高功率激光 热效应 光束控制系统 球差     

基于整形光路的低阶像差校正方法

为满足激光束对远处目标辐照强度的要求,减小热效应对输出光束性能的影响,提出了一种基于整形光路的高能激光低阶像差校正方法。该方法根据波前探测器测到的光束波前畸变,利用激光器整形光路固有的光学元件和调整机构,通过高精密电动平移台和快反镜的快速动作,动态调整各镜片的间距,实时校正激光束的低阶像差,使输出光束恢复至平行出射,从而显著减小激光束的热漂移和热畸变,有效避免了长时间出光时光束的持续发散,极大改善了输出光束性能。试验结果表明,该方法具有校正量大、控制方便、结构紧凑等优点,能够很好地改善激光器输出光束质量,显著提高激光束远场作用效果。     

体布拉格光栅形变对高斯光束质量平方因子的影响

考虑热效应导致的体光栅表面形变引起体光栅背景折射率和周期的变化,进而引起体光栅介质介电常数的改变,对体光栅中传输的激光束特性的影响进行了研究。采用有限差分和稀疏矩阵的方法,对激光在有变形的体布拉格光栅中传输的波动方程进行数值迭代求解,并对激光束通过有形变的反射式体布拉格光栅后的功率反射比、光束束腰宽度、远场发散角和质量平方因子的变化进行了定量分析。结果表明,随着体光栅表面形变的增大,体光栅的功率反射比明显减小,输出光束的束宽、远场发散角和质量平方因子明显增大。     

Diffracted field distribution from a knife-edge truncated semi-Gaussian beam as an atomic （molecular） mirror

We investigate the diffraction characteristics of an incident Gaussian beam cut by a straight edge bounding a semi-infinite opaque plane using Kirchhoff scalar wave theory in the Fresnel limit, and propose a new and simple mirror scheme to reflect atoms by using the intensity gradient induced by a blue-detuned semi-Gaussian laser beam. The optical potential of the diffracted light of the knife-cut semi-Gaussian beam for $^{85}$Rb atom and its spontaneous emission probability are calculated and compared with the performance of the evanescent-wave mirror. Our study shows that the optical potential of the diffracted light of the semi-Gaussian beam is far higher than that of the evanescent light wave, and the maximum normal velocity of the incident atoms can be far greater than that of the evanescent light wave under the same parameters, so the blue-detuned semi-Gaussian beam, as a novel atomic mirror, can be used to efficiently reflect cold atoms with a normal velocity of greater than 1 m/s. However, the intensity gradient (force) of the diffracted light of the semi-Gaussian-beam is much smaller than that of the evanescent light wave, so its spontaneous emission probability is greater than that from the evanescent-wave when the normal velocity of incident atoms is greater.     

二极管双侧抽运横流连续液体激光系统性能模拟

为解决无机液体激光系统的热效应问题,采用激光二极管双侧抽运横向流动的Nd3 :POCl3:ZrCl4溶液以很好地减小热效应,实现液体激光系统高功率高光束质量输出。建立了液体激光理论模型,分析了工作参量对系统能量转换效率与介质热效应的影响;模拟了系统在不同吸收系数和不同流速下的能量转换效率,远场光斑分布以及激光束亮度分布。模拟结果表明:采用二极管作为抽运源可以获得很高的能量转换效率,而且光束质量较好;在给定抽运体积和抽运强度为800 W/cm2时,介质的吸收系数位于2.5~3.0 cm-1,流速约为25 m/s时,输出功率与光束质量实现最佳匹配,激光束亮度最高,系统性能达到最佳。     

光束质量对闪烁和流速测量的影响分析

给出了用发光二极管测量闪烁和流速光源远场理想特性的表达式.波前扭曲可以分解成波前倾斜和曲率改变两部分来处理.波前倾斜和离轴接收信号的情况相当,对测量结果影响不大.当波前曲率半径不等于到光源的距离时,对流速和闪烁强度测量都会带来不能忽略的误差,路径加权函数的对称特性也会改变.最后给出的流速测量的实验结果和理论计算是一致的.     

风对光束控制系统内热效应的抑制作用

 用光强沿x轴方向呈线性变化的方形环状光束模拟高功率激光，利用自编四维仿真程序对高功率激光在光束控制系统中的传输作了详细的数值计算研究。结果表明：热效应使远场光束的峰值光强和可聚焦能力下降。入射光强的非均匀分布进一步降低峰值光强和可聚焦能力，导致远场光束重心和峰值光强位置移动，并产生像散。光束的非均匀程度越高，远场光束质量越差。横向风和轴向风对热效应均有抑制作用。然而，轴向风不会引起远场光束重心偏移和像散，但是轴向风比横向风建立稳态所用时间更长。     

Transit-time effects in a strong field inverted lamb dip theory

The inverted Lamb dip theory for a spatially-bounded plane laser beam is presented, valid for arbitrary gas pressure levels and field intensities. Line shape, power-broadening, contribution of transit-time and gas pressure effects to the dip linewidth have been computed and are found to be in perfect agreement with experimental data. In the limit of low pressure and intensity, the dip linewidth is found to depend only on the beam radius and the mean thermal velocity of molecules.     

Transformation of a hollow Gaussian beam into a ring-shaped beam using a phase aperture

Propagation of a hollow Gaussian beam diffracted by a circular phase aperture is studied without making the paraxial approximation. The analytical expression of the intensity of the apertured hollow Gaussian beam is presented in the far field. The influences of the truncation parameter and the order of hollow Gaussian beam on the intensity distributions are discussed. It is shown that a circular ?-phase aperture can be used to transform a hollow Gaussian beam into a ring-shaped beam in the far field with the appropriate parameters.     

线激光束均匀化整形方法研究

为解决核物理工程、表面热处理、激光加工、激光通信中传输激光束的均匀性问题,提出采用三角楔柱透镜改善线激光均匀性的新方法,并在ZEMAX开发环境下建立了整形光路系统的理论模型。利用所建立的模型,分析了整形柱透镜在不同半径、斜面夹角、透镜介质折射率等参数下光束的均匀性。研究表明：在远场条件下,通过改变整形柱透镜的参数,能够得到能量分布均匀的线激光。在实际应用中,可以采用1个半圆柱和2个相同三角楔胶合成型的简单工艺。进一步模拟发现,两种整形系统所得到的均匀度和线宽一致。     

Anfachung und Dämpfung magneto-akustischer Wellen in MHD-Kanälen und ihr Einfluß auf die mittlere Stromdichte und die mittlere Hall-Feldstärke

Magneto-acoustic waves generated by fluctuations in the Hall parameter, the electric conductivity and the stream velocity are theoretically investigated in a weakly ionized plasma streaming across a strong external magnetic field and bearing a current flowing perpendicular to both magnetic field and stream velocity. The investigations hold for seeded rare gas plasmas at any degree of seed ionization but are resticted to waves propagating in parallel or antiparallel direction to the current density vector and in parallel or antiparallel direction to the stream velocity vector and to wave lengths which are small in comparsion to the interaction length which occurs as a characteristic wave length. The influence of these waves on the mean current density and the mean Hall field intensity is calculated in case of small amplitudes and low degree of seed ionization up to second order terms. Omitting Ohmic heating the dispersion equation can be solved exactly. A phase shift exists between the fluctuations in gas density and gas velocity. The phase velocity and the amplification rate depend on the wave length. Typical results are represented in a diagram. For both types of waves the phase velocity slightly rises with increasing wave length, while the amplification rate decreases. Waves propagating in opposite direction to the current density vector are amplified, if the electron velocity exceeds a critical value. They reduce the mean current density and the mean Hall field intensity. Waves propagating in opposite direction to the stream velocity vector are also amplified except for very high degrees of seed ionization. The threshold current density is greater than that for the waves of the first type approximately by the Hall parameter as factor. At extremely high degree of seed ionization the phase velocity is directed opposite to the direction occuring at weakly ionized seed. Waves of the second type decrease the mean current density, but increase the mean Hall field intensity.