风对光束控制系统内热效应的抑制作用

率 ; n 为折射率 。
Fig. 1 Simulation model for a non2uniform annular square beam 图 1 入射非均匀环状方形光束模型
等压近似下 ,流体力学方程为
5ρ 5t
+
ν·¤
ρ
=
-
(γ
c2s
1)αI
(3)
X 收稿日期 :2003211217 ; 修订日期 :2004207212 基金项目 :国家高技术发展计划资助课题 ;江西省自然科学基金资助课题 作者简介 :陶向阳 (1965 —) ,男 ,博士研究生 ,教授 ,现从事激光传输与变换的研究 ; E2mail :x. y. tao @163. com。
2 计算模拟结果和分析
本文限于研究高功率激光在内光路中的热效应和风对热效应的抑制问题 ,激光在光束控制系统之外 (简称 外光路) 设为经真空传输至远场 。对无风时的瞬态和有风 (横向或轴向风) 存在时的瞬态和稳态问题用自编的 四维程序都作了计算 。采用 86. 5 %环围功率半径 R86. 5 % ,Strehl 比 S R ,光束重心位置 x 和像散参数 wy/ wx ( y 和 x 方向束宽之比) 等参数描述远场光束质量[10 ,11] 。数值计算中设激光束在内光路中的传输距离 d = 5m ,在外 光路传输距离为 5km ; 在光束控制系统的出口处有一聚焦光学系统 ,焦距为 5km。计算中选取 N = 6 ,λ = 1106μm ,α= 1. 2 ×10 - 5m - 1 , n0 = 1. 00035 ,γ = cp/ cV = 1. 4 , cs = 340m/ s , a = 5cm ,ε= 0. 3 ,发射激光功率 P = 100kW。 图 2 为无风 t = 1s 时 ,远场等光强线分布 。图中坐标均按网格数标识 ,网格中间值 (33 ,33) 对应于光场中 心 。由图可见 , s < 0 时 ,入射光束的峰值光强和重心均位于 x 轴的负值方向 。随入射光束光强分布非均匀程 度增大 (即| s| 增大) ,远场光强峰值逐渐向 x 的正方向移动 ,并且像散逐渐加剧 。数值结果表明 , 当 s = 0 , - 0. 05 , - 0. 1 ,0. 15cm - 1时 ,光束重心分别位于 x = 0 , - 1. 30 , - 2. 29 , - 5. 46mm 处 ;峰值光强位置在 x = 0 ,30 ,40 , 50mm 处 。R86. 5 %值分别为 181 ,183 ,192 ,210mm ,像散参数 wy/ wx = 1. 0 ,0. 983 ,0. 941 ,0. 890 。这说明入射激光 光强分布的非均匀程度越高 ,远场峰值光强位置偏移量越大 ,远场光束可聚焦能力越差 ,光束的像散程度越大 , 光束质量越差 。峰值光强移动的物理原因是激光与大气相互作用的热效应是一种非线性效应 ,它会反过来影 响光束的光强分布 。由于热效应 ,在光强最大局部处折射率最小 ,导致远场峰值光强位置发生变化 ,且入射光 束光强分布不均匀程度越高 ,峰值光强的位移量越大 。
Fig. 3 Beam quality parameters in the far filed versus time t for different values of vx , s = 0 图 3 横向风速 vx 不同时 ,远场光束质量参数随 t 的变化曲线 , s = 0
图 4 是轴向风速 vz 不同和 s = 0 时均匀分布方形环状光束的 R86. 5 %和 S R 随时间 t 变化曲线 。可以看到 , 与无风时相比 ,轴向风使 R86. 5 %减小 , S R 增大 ,即轴向风能有效地抑制内光路的热效应 ,且随着风速的加大远 场光束质量变好 。与有横向风时类似 ,稳态的建立时间随着风速的加大而减短 ,但有轴向风时稳态的建立时间 要长于有横向风时 。例如 , vx = 2m/ s 时 ,经过 0. 06s 即达到稳态 ,而 vz = 2m/ s 时则需要 3s 左右才达到稳态 。这 是由于横向风将未加热大气替代已加热大气的速度相对较快 ;轴向风的作用虽然也是将未加热大气替代已被 加热大气 ,但由于风在内光路中的传输距离相对于束宽而言要大得多 。需要指出的是 , s = 0 时 ,轴向吹风不会 使远场光束出现像散 ,其重心和峰值光强位置始终位于原点处 。
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第 11 期 陶向阳等 :风对光束控制系统内热效应的抑制作用
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分布是造成远场光束重心位置偏移以及产生像散的原因 。并且有轴向风时 , R86. 5 %下降 , S R 升高 ,光束重心位 置偏移量减小 ,像散程度也得到了改善 。轴向风速越大 ,远场光束质量越好 ,达到稳态的时间也越短 。
Fig. 4 Beam quality parameters in the far field versus time t for different values of vz , s = 0 图 4 轴向风速 vz 不同时 ,远场光束质量参数随 t 的变化曲线 , s = 0
图 5 为轴向风速 vz 不同情况下 , s = - 0. 15cm - 1的非均匀分布方形环状光束在有 、无轴向风热效应影响下 远场光束质量参数随时间变化曲线 。由图可知 :光束重心位置开始时位于负 x 轴一边 ,随着时间的增大重心 位置逐渐移向正 x 轴一边 。此外 ,还出现了像散 。与图 4 中无风时热效应曲线相比较可知 ,入射光束的非均匀
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强 激 光 与 粒 子 束 第 16 卷
不发生重心偏移和像散 。与无风时相比较 ,横向风使光束的 R86. 5 %值减小 、S R 升高 ,但与此同时 ,光束的重心 却发生了偏移 ,图 (c) 中 x 的值为负 ,表明重心向着 x 轴反方向偏移 。远场光束还出现了像散 。随着横向风速 的加大 , R86. 5 %越小 、S R 越高 ,光束重心 x 越靠近原点 ( x = 0) 处 ,像散程度越低 。这表明横向风作用使远场光 束质量得到一定程度的改善 ,且改善程度随风速的加大而升高 。由图还可看到 ,有风时热效应达到稳态的时间 随着风速的增大而减小 ,这与文献中的研究结果[5]一致 。
陶向阳1 ,2 , 季小玲1 ,3 , 吕百达1 ,2
( 1. 四川大学 激光物理与化学研究所 , 四川 成都 610065 ; 2. 江西师范大学 物理与通信电子学院 , 江西 南昌 330027 ; 3. 四川师范大学 电子工程学院 , 四川 成都 610066)
摘 要 : 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 。 关键词 : 高功率激光 ; 热效应 ; 光束控制系统 ; 横向风和轴向风 ; 光束质量 中图分类号 : TN012 文献标识码 : A
化的非均匀环状方形光束 ,ε= 0 时为实心光束 , s = 0 ,ε= 0 时为三维平顶高
斯光束[9] ; N 为平顶高斯光束的阶数 。入射光束模型如图 1 所示 。
激光大气传输满足近轴波动方程 [ 4 ]
2i
k
5 5
E z
=
¤ 2⊥ E + k2
n2 n20
-
1
E
(2)
式中 : k = 2π/λ为波数 ,λ为波长 ; E 为慢变场振幅 ; n0 为未扰动时的折射
第 16 卷 第 11 期 2004 年 11 月
强激光与粒子束
HIGH POWER LASER AND PARTICLE BEAMS
Vol . 16 ,No. 11 Nov. ,2004
文章编号 : 100124322 (2004) 1121370205
风对光束控制系统内热效应的抑制作用 X
n=0 n !
b2
n =0 n !
b2
(1)
式中 : E0 = P/ A 为初始场振幅 , P 为发射总功率 , A = 4 ( a2 - b2) 为光斑面
积 ; s 为表征初始光强分布不均匀程度的参数 ; a , b 分别为光束的外 、内环
半宽度 ;ε= b/ a 为遮拦比 , 当 ε≠0 时 , (1) 式描述光强沿 x 方向呈线性变
对高功率激光大气传输中的线性和非线性效应 ,特别是大气湍流和热晕对激光传输的影响和畸变补偿等 问题 ,已作了许多研究[1～5] 。理论和实验研究结果都表明[6] ,当有横向风存在时 ,对热晕增长有抑制作用 。但 激光会偏向风里 ,使光斑呈现新月形和光束重心位置偏移 。尽管激光在光束控制系统 (内光路) 中的传输距离 与后续长程大气传输相比很短 ,但高功率密度的细光束在内光路中的热效应 (热晕) 对远场光束质量会产生很 大的影响 。迄今仅有不多的文献[7 ,8]对高功率激光在内光路中的热效应对远场光束质量的影响作了仿真研 究 。本文采用光强沿 x 方向呈线性变化的非均匀环状方形光束模型 ,用自编四维仿真程序对光束的非均匀分 布和内光路的热效应对远场质量的影响作了详细计算模拟和分析 ,比较了内光路中横向风和轴向风对热效应 的抑制作用 ,得到了一些新的结果 。
1 仿真模型
在直角坐标系下 ,设入射光场为
∑ ∑ E = E0
1 + sx