激光通道傳輸熱特性對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)光束質(zhì)量的影響講解

1、第16卷第6期2004年6月強(qiáng)激光與粒子束HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSVol.16,No.6 Jun.,2004 文章編 號(hào):100124322(2004)0620703204激光通道傳輸熱特性對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)光束質(zhì)量的影響 劉順發(fā)，金鋼，柳建，陳洪斌，馬振洲 (中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所，四川成都610209) S摘 要：通過(guò)仿真計(jì)算分析了激光在光束控制系統(tǒng)通道內(nèi)傳輸所產(chǎn)生的熱效 應(yīng)及其對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)光束質(zhì)量的影響。激光傳播由近軸波方程描述，用快速傅里葉變換技術(shù)求解;激光熱效應(yīng)引起的流場(chǎng)密度變化采用完全Navier2Stokes方程計(jì)算。計(jì)算給出了不同波長(zhǎng)、不同吸收系數(shù)條件下的遠(yuǎn)

2、場(chǎng)光斑情況。計(jì)算結(jié)果表明，在典型的工作條件和狀態(tài)下，較高能量激光在光束控制系統(tǒng)通道內(nèi)產(chǎn)生的熱效應(yīng)影響不容忽 視，它會(huì)明顯降低遠(yuǎn)場(chǎng)目標(biāo)處的能量集中度，增大光斑的發(fā)散。關(guān)鍵詞： 激光傳輸；光束質(zhì)量；熱效應(yīng)；N2S方程中圖分類(lèi)號(hào):O437文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A在各種激光發(fā)射系統(tǒng)中，激光器發(fā)出的光束要經(jīng)光束控制系統(tǒng)進(jìn)行變焦、整形 等一系列傳輸變換后才能匯聚到目標(biāo)物體上，為滿(mǎn)足不同的應(yīng)用要求，需保證發(fā)射 激光有較好的遠(yuǎn)場(chǎng)光束質(zhì)量和較高的能量集中度，這就要求發(fā)射系統(tǒng)有較好的靜態(tài) 光束質(zhì)量，即要求系統(tǒng)剛度好、強(qiáng)度高，反射鏡的面形誤差小等。除此之外，還要求 整個(gè)系統(tǒng)在使用過(guò)程中有良好的動(dòng)態(tài)光束質(zhì)量，也就是激光在發(fā)射過(guò)

3、程中與傳輸通 道介質(zhì)相互作用所導(dǎo)致的發(fā)射系統(tǒng)光路畸變要小。眾所周知，較高能量激光在大氣中傳輸時(shí)，其一小部分能量被大氣中的水蒸 汽、二氧化碳等分子或氣溶膠粒子吸收，導(dǎo)致傳輸路徑上的空氣被加熱，使氣體介 質(zhì)的密度和折射率發(fā)生變化，產(chǎn)生負(fù)透鏡效應(yīng)，從而造成激光束的畸變和發(fā)散，降低 激光能量集中度13。而對(duì)于光束控制系統(tǒng)內(nèi)激光與傳輸介質(zhì)相互作用對(duì)發(fā)射光 束質(zhì)量影響的研究報(bào)道較少4,5。事實(shí)上在一個(gè)光束控制系統(tǒng)內(nèi)，當(dāng)激光在封閉的 管道內(nèi)傳輸時(shí)，盡管傳輸路徑較短，但由于光束直徑較細(xì)，激光能量密度相對(duì)較高，且 圭寸閉的管道中無(wú)橫向切變氣流的冷卻作用，因此激光束與傳輸通道中氣體介質(zhì)之間 的熱相互作用可能會(huì)十分

4、強(qiáng)烈，使介質(zhì)溫度升高，進(jìn)而使其密度和折射率發(fā)生變化， 并反過(guò)來(lái)影響激光光束的傳輸，導(dǎo)致遠(yuǎn)場(chǎng)光束畸變。這種激光在發(fā)射過(guò)程中對(duì)整個(gè) 系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)影響，直接關(guān)系到發(fā)射系統(tǒng)使用效能。對(duì)此現(xiàn)象進(jìn)行分析對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)具 有重要意義。本文采用數(shù)值計(jì)算方法，分析研究了較高能量激光在光束控制系統(tǒng)內(nèi)傳輸時(shí)的 熱效應(yīng)問(wèn)題。光束控制系統(tǒng)中激光引起的氣體介質(zhì)的密度變化采用完全的 Navier2Stokes方程描述，對(duì)此方程的求解采用了具有二階精度的強(qiáng)隱式格式和LU 分解技術(shù);激光束的傳播由近軸波方程描述，采用像屏法和快速傅里葉變換技術(shù)求 解;通過(guò)計(jì)算激光引起的通道熱效應(yīng)，分析介質(zhì)的密度、折射率變化所導(dǎo)致的傳輸 光束在發(fā)射系統(tǒng)

5、出口處累積的光程差和位相差，進(jìn)而采用夫瑯和費(fèi)衍射方法計(jì)算出 遠(yuǎn)場(chǎng)光強(qiáng)分布，并與無(wú)熱效應(yīng)影響光場(chǎng)的遠(yuǎn)場(chǎng)光強(qiáng)進(jìn)行比較。1計(jì)算方法激光傳輸通道內(nèi)氣體介質(zhì)吸收部分激光能量將引起介質(zhì)的密度、折射率發(fā)生 變化,并反過(guò)來(lái)影響光束的傳輸特性，對(duì)這一過(guò)程的描述由激光傳輸波動(dòng)方程和反 映介質(zhì)密度變化的流體力學(xué)方程組構(gòu)成。激光場(chǎng)A滿(mǎn)足緩變振幅近似下的近軸波方程222-1A2ik=丄 A+k n2z0(1)l=A2exp(- a z)日收稿日期:2002205209;修訂日期:2004202206基金項(xiàng)目：國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目資助 課題)，男，重慶萬(wàn)州人,1989年畢業(yè)于北京理工大學(xué)工程光學(xué)系，1995年畢業(yè)于中國(guó)科學(xué)

6、 院光電技術(shù)研究所，工學(xué)碩作者簡(jiǎn)介汶U(xiǎn)順發(fā)(1967士,副研究員，從事光學(xué)傳輸、光電工程研究工作；成都雙流350信箱;E2mail:sfliuioe.ac.c n。? 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.704強(qiáng)激光與粒子束第16卷對(duì)此方程的求解，采用像屏法處理，即考慮光波在自由空間傳輸一段距離后疊加一 附加相位變化。)A=Avace(-pk z = z-1dz n20n以上各式中:Avac為真空中光場(chǎng);z為沿光束路徑的傳播距離；k=2/為在均勻介質(zhì) 中的波數(shù);n0和n分別是未擾動(dòng)折射率及

7、光作用后擾動(dòng)介質(zhì)的折射率。氣體介質(zhì) 折射率與密度p的關(guān)系為2P -1= K其中 k為 Gladstone2Dale常數(shù)。要求解方程(3)中的光場(chǎng)，須知道熱效應(yīng)引起的附加熱相位變化(4)式，即激光引 起的氣體熱運(yùn)動(dòng)所導(dǎo)致的介質(zhì)密度及折射率的變化情況。對(duì)此本文采用流體力學(xué) 中完全的Navier2Stokes方程求解。流體質(zhì)量方程、動(dòng)量方程、能量方程的 Navier2Stokes 方程組為(6)+ ? ( p v)=0t UP (7)+uj=+S txjxixjeffxj u +uj=eff 5xj+Se5t5xj25xj(8)式中:下標(biāo)i,j分別取1,2,3代表三個(gè)坐標(biāo)方向分量，滿(mǎn)足愛(ài)因斯坦求和規(guī)

8、則；p為壓 力;E為內(nèi)能;卩ef為有效 粘性系數(shù);ui為速度分量；源項(xiàng)為(9)S= p g,Se= a I+式中: a為氣體介質(zhì)對(duì)激光的吸收系數(shù);g為重力加速度。對(duì)此方 程求解采用強(qiáng)隱式方法和LU分解技術(shù)6,采用Roe平均并結(jié)合數(shù)值Riemann不變量和通量限制器的概念,構(gòu)造了具有迎風(fēng)性 質(zhì)的半離散格式，實(shí)踐表明可收到快速穩(wěn)定收斂的效果。計(jì)算中采用了對(duì)角化處理 減少了大量的矩陣運(yùn)算，使得計(jì)算效率大大提高。將以上方程進(jìn)行迭代求解，可得到光束控制系統(tǒng)出口處含附加熱相位畸變的激光光場(chǎng)。利用光波在均勻介質(zhì) 中傳播的夫瑯和費(fèi)衍射可確定其遠(yuǎn)場(chǎng)光斑7,將遠(yuǎn)場(chǎng)激光光斑的84%環(huán)圍能量半 徑作為光斑半徑，并與無(wú)

9、熱效應(yīng)影響的初始光斑的遠(yuǎn)場(chǎng)夫瑯和費(fèi)衍射光斑進(jìn)行比較 根據(jù)遠(yuǎn)場(chǎng)光斑半徑的變化可判定激光束發(fā)散情況8。含相位改變的光波為)=A( p )expj ( p )(10在遠(yuǎn)場(chǎng)的夫瑯和費(fèi)衍射為E0( p22)exp-jd p E(r)=E0( pr入j入zz(11)在z=R焦面上的強(qiáng)度分布為I(r)=22入R)expj ( p )exn( p A( p jr/ 入 R)d p/(12)2計(jì)算結(jié)果與分析通過(guò)仿真計(jì)算分析了激光在光束控制系統(tǒng)傳輸通道內(nèi)傳輸25m距離后所產(chǎn)生的熱效應(yīng)對(duì)其遠(yuǎn)場(chǎng)光斑質(zhì)量的影響。將激光束在通道入口處初始光場(chǎng)的遠(yuǎn)場(chǎng)夫瑯 和費(fèi)衍射光斑半徑作為歸一化半徑。ym的高斯光場(chǎng)遠(yuǎn)場(chǎng)光斑環(huán)圍能量半徑的

10、變化情況，計(jì)算中取激光功率P=0.5GW,光斑 圖1為入=3.8直徑d=5cm,時(shí)間t=5s,圖1(a)中氣體介質(zhì)吸收系數(shù) a =1X10,可見(jiàn)由于熱效應(yīng)影響， 激光束遠(yuǎn)場(chǎng)光斑歸一化半徑擴(kuò)展至B =6.5如果氣體介質(zhì)對(duì)激光能量的吸收減小，則熱效應(yīng)影響明顯降低。圖1(b)為氣體介質(zhì)的吸收系數(shù)減為 a =1X 10時(shí)的遠(yuǎn)場(chǎng)光斑能量分布情 況,其余參數(shù)不變，由圖可見(jiàn),此時(shí)遠(yuǎn)場(chǎng)光斑半徑為B =2.6相對(duì)前一情形，遠(yuǎn)場(chǎng)光斑 半徑明顯減小。即對(duì)于通道傳輸?shù)募す馐?，?dāng)氣體介質(zhì)對(duì)激光束的吸收系數(shù)減小時(shí) 可明顯減小其遠(yuǎn)場(chǎng)光斑的熱擴(kuò)散，降低熱效應(yīng)，提高傳輸光束的光束質(zhì)量。? 1995-2005 Tsinghua

11、Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.fi有I. yEA 打-!.jIl翼1怡 du* 曲耳Eld sJTeII wju ii：b 4hvnl cflbi- z: P丄嚴(yán)I二J町HEirvIcdl iqi扌書(shū) rxbih 也q激光通道傳輸熱特性對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)光束質(zhì)量的影響705Fig.1 En circlede nergyvsu ni tyradiuswithdiffere nta圖1不同介質(zhì)吸收系數(shù)時(shí)環(huán)圍能量隨歸一化半徑變化ym的激光由于光束控通過(guò)仿真計(jì)算分析比較了熱效應(yīng)影響與激光波長(zhǎng)的關(guān)系。圖2(a)所示為入=10.6制系統(tǒng)傳輸通道

12、熱效應(yīng)影響引起的遠(yuǎn)場(chǎng)光斑能量分布，其它各計(jì)算條件與圖1(a)的 條件相同，此時(shí)遠(yuǎn)場(chǎng)光斑半徑為B =2.7相對(duì)圖1(a)的情形明顯減小UIIII&7|一oFig.2 En circlede nergyvsu ni tyradiuswithdiffere ntwavele ngth圖2不同波長(zhǎng)時(shí)環(huán)圍能量隨歸一化半徑的變化 卩m而其它參數(shù)不變時(shí),計(jì)算可知遠(yuǎn)場(chǎng)光斑半徑變?yōu)?B=而當(dāng)波長(zhǎng)變短時(shí)，例如當(dāng)激光波長(zhǎng)取入=1.31514.7如圖2(b)所示。即在相同計(jì)算條件下，短波長(zhǎng)激光的熱效應(yīng)引起的光束發(fā)散明 顯大于長(zhǎng)波長(zhǎng)的熱效應(yīng)引起的光束發(fā)散。以上計(jì)算表明,在一定條件下，光束控制系統(tǒng)激光熱效應(yīng)對(duì)發(fā)射光束質(zhì)量

13、影響 很大，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須加以考慮。如果傳輸通道上雜質(zhì)氣體含量較高，對(duì)激光能量吸收作用較強(qiáng)，則會(huì)顯著增大熱效應(yīng)，使傳輸光束擴(kuò)散、畸變，遠(yuǎn)場(chǎng)光束質(zhì)量大大 下降。此外對(duì)于波長(zhǎng)較短的激光，在其它參數(shù)不變的情況下，熱效應(yīng)影響更為強(qiáng) 烈。這是因?yàn)閷?duì)于同樣的能量吸收，盡管所導(dǎo)致的氣體介質(zhì)密度的變化是一樣的, 然而對(duì)于同樣的密度變化量，對(duì)不同波長(zhǎng)的激光所產(chǎn)生的附加熱相位是不同的，波 長(zhǎng)越短的光束所產(chǎn)生的附加熱相位就越大，熱相位越大則導(dǎo)致傳輸光束擴(kuò)散、畸變 越大，遠(yuǎn)場(chǎng)光束質(zhì)量下降越大，環(huán)圍能量半徑越大。因此，要提高光束控制系統(tǒng)內(nèi)通 道激光束的傳輸特性，在充分考慮系統(tǒng)靜態(tài)像差條件下，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)氣體介質(zhì)的吸收 特

14、性以及傳輸波長(zhǎng)的匹配關(guān)系都要作全面綜合的考慮，方能得到較好的傳輸光束質(zhì) 量。3結(jié)論本文建立了光束控制系統(tǒng)內(nèi)細(xì)光束傳輸?shù)姆抡娣治龇椒?，并?duì)一些典型參數(shù)情況進(jìn)行了仿真計(jì)算分析，主要考慮了激光加熱氣體介質(zhì)對(duì)不同波長(zhǎng)激光遠(yuǎn)場(chǎng)光束質(zhì) 量的影響。認(rèn)為要提高光束控制系統(tǒng)內(nèi)通道激光束的傳輸特性，在充分考慮系統(tǒng)靜 態(tài)像差條件下，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)氣體介質(zhì)的吸收特性以及傳輸波長(zhǎng)的匹配關(guān)系都要作全面 綜合的考慮，方能得到較好的傳輸光束質(zhì)量。對(duì)實(shí)際系統(tǒng)而言，除傳輸通道氣體介 質(zhì)對(duì)傳輸光束質(zhì)量將產(chǎn)生影響外，還有很多其它影響因數(shù)，如鏡面熱畸變、系統(tǒng)振 動(dòng)等,這些都是在實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要考慮的問(wèn)題。? 1995-2005 Tsing

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