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激光合束光学系统气体热效应影响分析

中国光学 2018年第1期11卷 108-114页

作者：兰硕李新南徐晨中国科学院国家天文台南京天文光学技术研究所江苏南京210042 中国航天科工集团第九总体设计部湖北武汉430040 中国科学院大学北京100049 中国科学院天文光学技术重点实验室南京210042

为了分析激光合束光学系统的成像质量,本文研究了激光合束光学系统的热耦合效应。借助光学设计软件建立激光合束系统模型,基于传热学理论,根据光学系统结构及流场条件参数建立气体流体模型。根据光线追迹法编写用户自定义函数,通过数值... 详细信息

为了分析激光合束光学系统的成像质量,本文研究了激光合束光学系统的热耦合效应。借助光学设计软件建立激光合束系统模型,基于传热学理论,根据光学系统结构及流场条件参数建立气体流体模型。根据光线追迹法编写用户自定义函数,通过数值模拟定量研究了介质气体热效应引起的波像差系数。仿真分析了气体热效应在不同时间下对激光合束光学系统的影响。结果表明,受重力影响激光合束系统热效应的旋转对称性变得不再明显,随着温度升高呈现分层变化,且非均匀热效应以低阶像差为主。将波像差系数导入光学设计软件,可实现复杂光场与热场耦合传函的定量分析,波像差劣化0.3λ,传递函数下降0.1。

关键词：激光合束热效应气体光学

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封闭空间内热耦合效应对激光合束传输的影响

中国激光 2023年第13期50卷 119-130页

作者：龚宇吴娟杨钧兰雒仲祥李源中国工程物理研究院应用电子学研究所四川绵阳621900

激光在气体介质中传输时,气体吸收激光能量导致折射率变化,形成气体热效应,降低光束质量。针对这一问题,介绍了光-流-热耦合效应理论,建立了椭圆形高斯激光束的合束传输热耦合效应仿真模型。通过数值仿真分析了长方体封闭空间中由激光... 详细信息

激光在气体介质中传输时,气体吸收激光能量导致折射率变化,形成气体热效应,降低光束质量。针对这一问题,介绍了光-流-热耦合效应理论,建立了椭圆形高斯激光束的合束传输热耦合效应仿真模型。通过数值仿真分析了长方体封闭空间中由激光加热诱导的自然对流现象及流场对光束传输影响的变化过程,研究了热效应的影响因素。结果表明,气体对激光能量的吸收会导致光轴偏转,光束质量下降,远场光斑形态发生改变;封闭空间内热效应自然对流导致的光束质量下降呈先增加再减少后稳定的趋势;通过改善介质吸收和流场分布,可以有效改善气体热效应对光束质量的不利影响;合束过程中的流场分布和光束质量变化比单束光路情况下复杂。

关键词：激光光学激光合束光束传输热效应光束质量

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近零折射率材料激光合束

红外与激光工程 2012年第10期41卷 2631-2636页

作者：李淼峰周崇喜中国科学院光电技术研究所微细加工光学技术国家重点实验室四川成都610209 中国科学院研究生院北京100049

设计了一种基于近零折射率亚波长人工材料的激光合束器。首先介绍了合束器的基本原理、结构及其材料;然后基于渔网结构设计了合束器的构成材料,通过S参数反演法计算得到其物质参数;最后,利用所得材料参数对三束以不同角度入射的激光合... 详细信息

设计了一种基于近零折射率亚波长人工材料的激光合束器。首先介绍了合束器的基本原理、结构及其材料;然后基于渔网结构设计了合束器的构成材料,通过S参数反演法计算得到其物质参数;最后,利用所得材料参数对三束以不同角度入射的激光合束结果进行了仿真分析,并与理想平面波进行对比。结果表明:当三束激光的入射角分别为-15°、0°和10°时,合成的单束激光相对于平面波在强度为最大值1/e2处的远场发散角展宽仅为1.6 mrad。可见该方法可以成功地将多束激光合为一束,且具有理想的输出光束特性。

关键词：激光合束亚波长微纳结构散射参数反演法渔网结构近零折射率材料

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基于折射棱镜的多波段激光合束方法

激光与光电子学进展 2023年第17期60卷 236-242页

作者：兰江何衡湘陈俊王陈程帅张凌鹏石康旺邹硕颐丛俊凯西南技术物理研究所四川成都610041

多波段激光合束技术在光电对抗领域的应用越来越受到重视,基于此提出了一种使用折射棱镜组的多波段激光合束方法,优选了牌号依次为H-ZLaF92、D-ZLaF85LS、H-ZBaF21的3种火石玻璃作为棱镜材料,通过对棱镜组的顶角值、入射角度以及位置关... 详细信息

多波段激光合束技术在光电对抗领域的应用越来越受到重视,基于此提出了一种使用折射棱镜组的多波段激光合束方法,优选了牌号依次为H-ZLaF92、D-ZLaF85LS、H-ZBaF21的3种火石玻璃作为棱镜材料,通过对棱镜组的顶角值、入射角度以及位置关系的计算和仿真,设计了包含调整镜组、折射棱镜组、反射镜组和偏振滤光片的合束方案,同时利用将单一线性偏振激光束电矢量方向调整为平行于入射面的方法减小反射损耗。分析计算表明:在波长分别为550 nm、1060 nm、2000 nm情况下,入射角分别选择63.05°、61.35°、59.58°,3种材料的棱镜顶角值分别取51°、55°、60°;在光斑间距ΔX1、ΔX2分别为10 mm、20 mm的情况下,3种材料对应棱镜的远表面距离D、近表面距离d分别为289 mm、83.5 mm,366.4 mm、107.7 mm,381.6 mm、103.6 mm;在不进行光学镀膜的情况下,仅使用单一线性偏振光以布儒斯特角入射,也能够达到92.8%~97.6%的合束效率,与现有多波段合束技术相比,在成本方面有巨大的优势。

关键词：激光合束多波段合束折射棱镜 p偏振合束效率

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可见光多波段激光合束系统设计

激光与红外 2023年第2期53卷 282-288页

作者：李高生徐新行安振杰刘丽娜韩旭东中国科学院长春光学精密机械与物理研究所吉林长春130033 中国科学院大学北京100049 核工业理化工程研究院天津300180

为了实现可见光波段不同波长多路激光的精密合束,设计了一套激光合束系统。通过长焦距镜头和高缩束倍率镜头配合大面阵光电探测器分别实现合束激光指向与位置的高精度、实时监测;通过高精度的角度调节平台和位置调节平台分别实现光束指... 详细信息

为了实现可见光波段不同波长多路激光的精密合束,设计了一套激光合束系统。通过长焦距镜头和高缩束倍率镜头配合大面阵光电探测器分别实现合束激光指向与位置的高精度、实时监测;通过高精度的角度调节平台和位置调节平台分别实现光束指向和位置监测误差的实时补偿。在完成光束指向、位置监测镜头的设计加工及精密装调后,获得位置监测装置的监测分辨率为0.054 mm,指向监测装置的监测分辨率为3.5μrad;在完成光束位置校正平台、指向校正两维摆镜、闭环控制系统合束流程的详细设计后,对合束系统的合束精度进行实验检测和误差分析。实验结果表明:合束系统短时间内针对稳定光束的合束精度为:指向6.17μrad,位置优于0.66 mm;长时间内针对缓慢漂移光束的合束精度为:指向18.46μrad,位置优于0.72 mm。因此,所设计的激光合束系统合束精度高,并且可及时对光束的漂移误差进行自动补偿,满足系统的应用要求。

关键词：可见光激光合束偏差监测闭环控制自动校正

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高功率激光合束二向色镜研究

高功率激光合束二向色镜研究

作者：王敏南京理工大学

学位级别：硕士

基于二向色镜的激光光谱合束系统主要是通过利用二向色镜的截止滤光特性来实现输出功率的倍增,具有合束效率高、光束质量好、输出功率大、系统简洁稳定等优点,是近年来高功率激光光谱合束领域新的研究方向。二向色镜作为系统的核心器件... 详细信息

基于二向色镜的激光光谱合束系统主要是通过利用二向色镜的截止滤光特性来实现输出功率的倍增,具有合束效率高、光束质量好、输出功率大、系统简洁稳定等优点,是近年来高功率激光光谱合束领域新的研究方向。二向色镜作为系统的核心器件,其光学特性对合束系统的输出效果具有重大影响。本文首先介绍了激光合束系统的发展及应用现状,概述了其基本原理,并对粗糙表面散射理论的发展历程及二向色镜镀膜工艺、监控技术的发展进行了阐述。通过分析光在粗糙表面多层膜系结构的反射现象,建立了多层膜系粗糙表面反射模型。其次采用TFCalc软件设计优化得到二向色镜的膜系结构,并对二向色镜的反射现象进行模拟仿真,分析致使二向色镜的反射率产生变化的主要因素。进一步建立合束系统的输出评价指标,对系统的合束效率、光束质量等参量进行建模与仿真分析。总结仿真结果,对高功率激光合束二向色镜的关键参数提出指标要求。联合高端生产机构镀制得到高功率激光合束二向色镜,对二向色镜的实际参数进行测量,将模拟仿真所得到的结果与实际测量所得的结果进行对比,验证所建模型的合理性,并分析差异原因。最后,将二向色镜应用到激光合束系统中,对整个系统的实际输出结果进行测量。目前合束系统已经得到了10.12k W以上的高能激光输出,系统的合束效率高于97%,满功率输出下的合束效率可达98.9%。

关键词：二向色镜激光合束反射率合束效率光束质量表面粗糙度

空间红外探测与激光合束共口径系统结构设计研究

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空间红外探测与激光合束共口径系统结构设计研究

作者：衡楠中国科学技术大学

学位级别：硕士

空间红外探测系统与多波段激光合束发射系统在目标识别、激光传能、信息通信等航空航天领域有着广泛的应用。针对两种光学系统在功能上的共同需求对二者进行共口径结构设计,有利于减轻负载质量、提高星上载荷空间利用率,对其结构的合理... 详细信息

空间红外探测系统与多波段激光合束发射系统在目标识别、激光传能、信息通信等航空航天领域有着广泛的应用。针对两种光学系统在功能上的共同需求对二者进行共口径结构设计,有利于减轻负载质量、提高星上载荷空间利用率,对其结构的合理设计可为相关任务的顺利完成提供保障。本文对某空间红外探测与多波段激光合束发射共口径系统的结构设计及光学装调进行了详细研究与分析。首先,基于拓扑优化和响应曲面法相结合的方式对主镜筒进行轻量化设计,优化结果表明在初步轻量化模型基础上,利用基于响应面法的多目标优化方法进行参数优化后,主镜筒轻量化率提高13%,1阶固有频率提高了24.7%,最大等效应力降低42.3%,最大变形量减少了20.7%,证明了优化方法的有效性,并为保证光学系统性能奠定了基础。其次,基于等效处理的简化模型,对系统整机结构在静、动力学环境中的振动响应情况进行了仿真分析以及设计结果验证。分析过程中主要采用了有限元法、模态叠加法以及能量等效法等对整机结构的过载、冲击振动、正弦振动及随机振动响应情况进行了分析,结果表明优化设计后的结构能够满足强度和刚度要求。最后,提出了对光机系统装调和检测的技术路线和方案。基于光学自准直原理完成了主镜筒组件装调、红外成像与激光发射支路光轴夹角检测以及成像透镜组的安装,并利用平行光管和红外成像系统的焦距、像斑比例关系对成像系统的实际焦距进行了检测。装调完成后,检测结果显示主镜筒系统波像差为RMS=0.1141λ@632.8 nm;近、中红外激光发射支路光轴夹角约为9.5 μrad,近红外激光发射支路与红外成像支路光轴夹角约为36.2 μrad;成像系统实际焦距为566.7 mm,与设计值误差0.47%。综合分析与装调结果,本文设计的共口径结构能够满足光学系统使用需要。

关键词：结构设计红外成像激光合束共口径系统轻量化有限元分析光学装调

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连续激光色谱合束高陡度薄膜设计及制备

中国激光 2024年第11期51卷 474-479页

作者：陆叶盛王胭脂陈宇朱晔新邵建达中国科学院上海光学精密机械研究所薄膜光学实验室上海201800

基于高陡度双色膜的激光合束是在单路连续激光输出能量达到瓶颈时,实现更高功率激光输出的有效技术方案之一。从设计、精密制备、测试表征的角度系统性地分析了膜系结构的优化设计和精密制备策略,制备了具有更高陡度、反射率、透过率、... 详细信息

基于高陡度双色膜的激光合束是在单路连续激光输出能量达到瓶颈时,实现更高功率激光输出的有效技术方案之一。从设计、精密制备、测试表征的角度系统性地分析了膜系结构的优化设计和精密制备策略,制备了具有更高陡度、反射率、透过率、吸收率等性能的高陡度双色膜。对比了法布里-珀罗腔叠加带通和反射带叠加长波通基础膜系结构在透过率、反射率、陡度等光谱性能和膜层电场分布方面的差异,反射带叠加长波通膜系结构更适用于高功率连续激光的低吸收传输。基于双离子束溅射薄膜沉积设备,采用加权宽光谱监控方法进行了制备,采用分光光度计对制备样品进行了测试,并根据测试结果进行了误差分析。制备的高陡度双色膜陡度达到8 nm,1060 nm和1080 nm激光的合束效率达到99%以上,合束输出7.16 kW连续激光180 s时,双色膜温升不超过4℃。

关键词：连续激光激光合束高陡度双色膜精密制备

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高能光纤激光器光束合成技术

红外与激光工程 2018年第1期47卷 94-104页

作者：程雪王建立刘昌华中国科学院长春光学精密机械与物理研究所吉林长春130033 中国科学院大学北京100049 中国科学院紫金山天文台中国科学院空间目标与碎片观测重点实验室江苏南京210008

高能光纤激光器光束合成技术是近年来高能激光器尤其是定向能源应用中的研究热点,可突破单根单模光纤激光的输出功率限制,为高功率高光束质量的激光武器应用奠定了理论基础。介绍了光纤激光非相干合成和相干合成的国内外研究现状,给出... 详细信息

高能光纤激光器光束合成技术是近年来高能激光器尤其是定向能源应用中的研究热点,可突破单根单模光纤激光的输出功率限制,为高功率高光束质量的激光武器应用奠定了理论基础。介绍了光纤激光非相干合成和相干合成的国内外研究现状,给出了非相干合成技术中光束重叠和光谱合成的基本合成原理,重点介绍了国内外多家研究机构光谱合成近年来所达到的技术水平;介绍了国内外相干合成技术的最新研究进展,对相干合成等效大口径激光阵列输出中几种不同的透射式相干合成阵列输出和反射式相干合成阵列输出的关键合成装置,以及相干合成单一孔径输出中的核心光学元件进行详细分析。最后简要对比了高能光纤激光器光束相干合成技术和非相干合成技术的优缺点和应用范围。

关键词：光纤激光器相干合成非相干合成激光合束