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基于光线光学的强激光自聚焦现象的仿真与分析

基于光线光学的强激光自聚焦现象的仿真与分析

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作者：阮望超浙江大学

学位级别：硕士

在研究强激光系统时,非线性自聚焦对光传输的影响是必须考虑的,因为当强激光通过介质发生自聚焦时,会使得某些位置的光功率密度迅速提高,可能造成固体材料的不可逆损伤。通过对包含线性及非线性介质的实际系统进行仿真,根据仿真结果来... 详细信息

在研究强激光系统时,非线性自聚焦对光传输的影响是必须考虑的,因为当强激光通过介质发生自聚焦时,会使得某些位置的光功率密度迅速提高,可能造成固体材料的不可逆损伤。通过对包含线性及非线性介质的实际系统进行仿真,根据仿真结果来判断系统中的哪些部件最可能受到自聚焦的影响,从而改进系统参数来消除不利影响,就有可能优化设计强激光系统。目前的光学设计软件大多基于光线光学,能够对仅含线性介质的光学系统进行仿真分析。因此,利用光线光学仿真非线性自聚焦介质中的光传输,并与现有光学设计软件结合,就可以仿真实际强激光系统,这对这类系统的设计、调试有重要的意义。非线性介质中的光线追迹可以转换为线性介质的光线追迹加上光强分布对折射率分布的调制作用,即把非线性介质分为许多小段,将每一小段看作是线性介质并进行光线追迹,而在每一段的端面上进行光强分布和折射率分布的计算。光线追迹时采用了显式亚当斯法求解光线方程,解决了龙格库塔法不适用于非线性光线追迹的问题。用网格统计方法求光强分布时会产生量化误差,为此,我们提出基于梯度信息的光强分布恢复算法,有效地抑制了量化误差。仿真结果显示,光束在自聚焦过程中会形成多个焦点,且第一个焦点位置随光功率的提高而更靠近入射位置,此外,由于光束横截面不同位置的折射率梯度不一样,因此可能形成局部光束,当局部光束足够强时会产生侧向发散的细光束。为了说明光线光学仿真方法的优点,我们采用光束传输法对自聚焦进行了仿真,并将它与光线光学方法进行了对比。最后,利用一个包含了球面、非球面面型的线性介质和非线性介质的简单混合系统,以画光学系统光线图为例,介绍了混合建模的仿真。本文最终完成的工作有非线性介质中的光线追迹程序,其中包括了光线追迹算法和光分布恢复算法,还在光学设计软件0TS的基础上编写了混合建模的部分程序,另外在MATLAB上实现了用光束传输方法对自聚焦的初步仿真。文中关于非线性自聚焦仿真分析的内容已在《物理学报》上发表论文一篇。

关键词：光线光学实际光线追迹非线性自聚焦光传输仿真亚当斯法

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