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激光通道传输热特征对远场光束质量影响解说
激光通道传输热特征对远场光束质量影响解说
第16卷第6期
2004年6月强激光与粒子束
,.,2004文章编
号:100124322(2004)0620703204
激光通道传输热特点对远场光束质量的影响
刘顺发,金钢,柳建,陈洪斌,马振洲
(中国科学院光电技术研究所,四川成都610209)Ξ
摘要:经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。激光流传由近轴波方程描绘,用迅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好Navier2Stokes方程计算。计算
给出了不同样波长、不同样吸取系数条件下的远场光斑状况。计算结果表示,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会集度,增大光斑的发散。
要点词:激光传输;光束质量;热效应;N2S方程
中图分类号:O437文件表记码:A
在各样激光发射系统中,激光器发出的光束要经光束控制系统进行变焦、整形
等一系列传输变换后才能汇聚到目标物体上,为知足不同样的应用要求,需保证发射激光有较好的远场光束质量和较高的能量会集度,这就要求发射系统有较好的静态光束质量,即要求系统刚度好、强度高,反射镜的面形误差小等。除此之外,还要求整个系统在使用过程中有优秀的动向光束质量,也就是激光在发射过程中与传输通道介质相互作用所致使的发射系统光路畸变要小。
众所周知,较高能量激光在大气中传输时,其一小部分能量被大气中的水蒸
汽、二氧化碳均分子或气溶胶粒子吸取,致使传输路径上的空气被加热,赌气体介
质的密度和折射率发生变化,产生负透镜效应,进而造成激光束的畸变和发散,降低
激光能量会集度[13]。而关于光束控制系统内激光与传输介质相互作用对发射光
束质量影响的研究报道较少[4,5]。事实上在一个光束控制系统内,当激光在关闭的管道内传输时,只管传输路径较短,但由于光束直径较细,激光能量密度相对较高,且关闭的管道中无横向切变气流的冷却作用,因此激光束与传输通道中气体介质之间的热相互作用可能会十分强烈,使介质温度高升,进而使其密度和折射率发生变化,并反过来影响激光光束的传输,致使远场光束畸变。这种激光在发射过程中对整个系统的动向影响,直接关系到发射系统使用效能。对此现象进行分析对系统设计拥有重要意义。
本文采用数值计算方法,分析研究了较高能量激光在光束控制系统内传输时的热效应问题。光束控制系统中激光引起的气体介质的密度变化采用完好的
Navier2Stokes方程描绘,对此方程的求解采用了拥有二阶精度的强隐式格式和LU
分解技术;激光束的流传由近轴波方程描绘,采用像屏法和迅速傅里叶变换技术求
解;经过计算激光引起的通道热效应,分析介质的密度、折射率变化所致使的传输光束在发射系统出口处累积的光程差和位相差,进而采用夫琅和费衍射方法计算出远场光强散布,并与无热效应影响光场的远场光强进行比较。
计算方法
激光传输通道内气体介质吸取部分激光能量将引起介质的密度、折射率发生
变化,并反过来影响光束的传输特点,对这一过程的描绘由激光传输颠簸方程和反
映介质密度变化的流体力学方程组组成。激光场A知足缓变振幅近似下的近轴波方程
222-1A2ik=⊥A+kn2z0(1)
(2)I=A2exp(-αz)
Ξ收稿日期:2002205209;校正日期:2004202206基金项目:国家863计划项目资助课题
),男,重庆万州人,1989年毕业于北京理工大学工程光学系,1995年毕业于中国科学院光电技术研究所,工学硕作者简介:刘顺发(1967—
士,副研究员,从事光学传输、光电工程研究工作;成都双流350信箱;E
2mail:******@。
?1995-2005TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,.
704强激光与粒子束
第16卷
对此方程的求解,采用像屏法办理,即考虑光波在自由空间传输一段距离后叠加一附加相位变化。
δε)A=Avacexp(-ik△zδε=
--
(3)(4)
z
-1dzn20
π以上各式中:Avac为真空中光场;z为沿光束路径的流传距离;k=2/λ为在平均介质中的波数;n0和n分别是未扰动折射率及光作用后扰动介质的折射率。气体介质折射率与密度ρ的关系为[2]
激光通道传输热特征对远场光束质量影响解说
激光通道传输热特征对远场光束质量影响解说
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ρn-1=κ
其中κ为Gladstone2Dale常数。
(5)
要求解方程(3)中的光场,须知道热效应引起的附加热相位变化(4)式,即激光引起的气体热运动所致使的介质密度及折射率的变化状况。对此本文采用流体力学中完好的Navier2Stokes方程求解。流体质量方程、动量方程、能量方程的
Navier2Stokes方程组为
(6)+?(ρv)=0t
μρ(7)+uj=-++S
txjxixjeffxj
+uj=-eff5xj+Se5t5xj25xj
(8)
式中:下标i,j分别取1,2,3代表三个坐标方向重量,知足爱因斯坦求和规则;p为压
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力;E为内能;μeff为有效
粘性系数;ui为速度重量;源项为
(9)S=ρg,Se=αI+vg式中:α为气体介质对激光的吸取系数;g为重力加速度。对此方
程求解采用强隐式方法和LU分解技术[6],
采用Roe平均并结合数值Riemann不变量和通量限制器的见解,结构了拥有迎风性
质的半失散格式,实践表示可收到迅速牢固收敛的收效。计算中采用了对角化办理
减少了大量的矩阵运算,使得计算效率大大提高。将以上方程进行迭代求解,
可获取光束控制系统出口处含附加热相位畸变的激光光场。利用光波在平均介质
中流传的夫琅和费衍射可确定其远场光斑[7],将远场激光光斑的84%环围能量半
径作为光斑半径,并与无热效应影响的初始光斑的远场夫琅和费衍射光斑进行比较
依照远场光斑半径的变化可判断激光束发散状况[8]。含相位改变的光波为
)=A(ρ)exp[jφ(ρ)](10)E0(在远场ρ)的夫琅和费衍射为E0(ρ
,
,
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22
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)exp-jd
ρE(r)=E0(
ρr
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λj
λzz
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(11)
在z=R焦面上的强度散布为
I(r)=
22
λR
)exp[jφ(ρ)]exp(-2πρA(ρjr/λR)dρ
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∫
(12)
计算结果与分析
经过仿真计算分析了激光在光束控制系统传输通道内传输25m距离后所产生的热效应付其远场光斑质量的影响。将激光束在通道入口处初始光场的远场夫琅和费衍射光斑半径作为归一化半径。
μm的高斯光场远场光斑环围能量半径的变化状况,计算中取激光功率P=,光
斑图1为λ=
直径d=5cm,时间t=5s,图1(a)中气体介质吸取系数α=1×10-5,可见由于热效应影响,激光束远场光斑归
一化半径扩展至β=6.。5若是气体介质对激光能量的吸取减小,则热效应影响明显降低。图1(b)为气体介质的吸取系数减为α=1×10-6时的远场光斑能量散布情
况,其余参数不变,由图可见,此时远场光斑半径为β=。相对前一状况,远场光斑半径明显减小。即关于通道传输的激光束,当气体介质对激光束的吸取系数减小时可明显减小其远场光斑的热扩散,降低热效应,提高传输光束的光束质量。
?1995-2005TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,.
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第6期刘顺发等:
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激光通道传输热特点对远场光束质量的影响705
图1不同样介质吸取系数时环围能量随归一化半径变化
μm的激光由于光束控经过仿真计算分析比较了热效应影响与激光波长的关系。图2(a)所示为λ=
制系统传输通道热效应影响引起的远场光斑能量散布,其余各计算条件与图1(a)的条件同样,此时远场光斑半径为β=。相对图1(a)的状况明显减小
。
图2不同样波长时环围能量随归一化半径的变化
m,而其余参数不变时,计算可知远场光斑半径变为β=而当波长变短时,比方当激光波长取λ=
,如图2(b)所示。即在同样计算条件下,短波长激光的热效应引起的光束发散明
显大于长波长的热效应引起的光束发散。
以上计算表示,在必然条件下,光束控制系统激光热效应付发射光束质量影响
很大,在系统设计时必定加以考虑。若是传输通道上杂质气体含量较高,对激光能
量吸取作用较强,则会明显增大热效应,使传输光束扩散、畸变,远场光束质量大大
下降。其余关于波长较短的激光,在其余参数不变的状况下,热效应影响更为强
烈。这是由于关于同样的能量吸取,只管所致使的气体介质密度的变化是同样的,
但是关于同样的密度变化量,对不同样波长的激光所产生的附加热相位是不同样的,波
长越短的光束所产生的附加热相位就越大,热相位越大则致使传输光束扩散、畸变
越大,远场光束质量下降越大,环围能量半径越大。因此,要提高光束控制系统内通
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道激光束的传输特点,在充分考虑系统静态像差条件下,对系统内气体介质的吸取特点以及传输波长的般配关系都要作全面综合的考虑,方能获取较好的传输光束质量。
3结论
本文成立了光束控制系统内细光束传输的仿真分析方法,并对一些典型参数状况进行了仿真计算分析,主要考虑了激光加热气体介质对不同样波长激光远场光束质量的影响。认为要提高光束控制系统内通道激光束的传输特点,在充分考虑系统静态像差条件下,对系统内气体介质的吸取特点以及传输波长的般配关系都要作全面综合的考虑,方能获取较好的传输光束质量。对实质系统而言,除传输通道气体介质对传输光束质量将产生影响外,还有很多其余影响因数,如镜面热畸变、系统振动等,这些都是在实质系统设计中需要考虑的问题。
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706强激光与粒子束
第16
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Effectofthermalcharacteristicsinlasertransmitting
channelonfar2fieldbeamquality
LIUShun2fa,JINGang,LIUJian,CHENHong2bin,MAZhen2zhou(InstituteofOpticsandElectronics,theChineseAcademyofSciences,,Chengdu610209,China)
Abstract:
Inthispaper,thelaserthermaleffects,producedinthetransmittingchannelofabeamcontrolsystem,,,.
Keywords:Laserpropagation;Beamquality;Thermaleffect;Navier2Stokesequation
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