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高峰值功率激光的光纤传能特性研究

作　者: 赵兴海
导　师: 程永生；高杨
学　校: 中国工程物理研究院
专　业: 物理电子学
关键词: 高峰值功率光纤传能激光点火多模光纤耦合激光诱导损伤 ZEMAX
分类号: TN929.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

光纤传能在激光武器、激光加工、激光医疗等领域都有重要的应用价值。利用光纤传输高峰值功率激光实现激光点火,是光纤传能的一种典型军事应用。目前光纤传输高峰值功率激光的研究还很少,研究光纤传输高峰值功率激光的特性,是激光点火系统设计的基础。本论文主要研究了高峰值功率激光的光纤注入、耦合与传输特性。针对光纤传能特性研究的需要首先在理解激光点火机理的基础上,总结了激光点火的实现方式,论述了激光点火系统的组成,分析了激光强度、光纤芯径对激光点火性能的影响,提出了激光点火系统总体设计方案,指出对激光点火系统的“光路优化”是系统小型化的有效途径之一。在激光的光纤注入特性研究中,对比分析了平端光纤与端面球透镜光纤的激光注入耦合特性;提出了导光锥注入耦合的新方法,设计了导光锥耦合装置,研究了其耦合特性,经实验验证注入激光的功率可提高约4倍。仿真分析和实验研究了光纤与光纤间的耦合特性;研究了注入条件、光纤弯曲对耦合效率的影响、光功率密度分布的影响。实验研究了光纤的传输效率与注入激光能量的关系,发现非线性效应是限制光纤输出激光能量的重要因素;实验研究了光纤输出激光的光束特性。参考《GJB1487-92激光光学元件测试方法》和《ISO11245光学表面的激光诱导损伤阈值测试方法》提出了光纤损伤阈值的测试方法、光纤损伤的判据、实验数据处理方法等,测得光纤端面的零损伤概率阈值能量密度为542J/cm~2。合理解释了光纤初始输入段容易损伤的原因,详细分析了光纤端面损伤的形貌和机理,指出等离子体的产生是光纤端面激光诱导损伤的直接原因。针对激光点火的应用,为确保含能材料可靠点火,又避免高峰值功率脉冲激光对光纤传能系统的损伤,提出了采用激光聚焦减小光斑、提高辐照在含能材料表面的激光功率密度的方法与装置,经实验验证功率密度提高了26.75倍。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-5
图表索引  5-10
目录  10-15
第一章绪论  15-20
  1.1 论文选题的意义  15
  1.2 光纤传输高峰值功率激光技术的现状  15-16
  1.3 论文选题的背景  16-17
  1.4 论文主要研究内容  17
  1.5 论文的组织结构  17-20
第二章激光点火机理与系统设计  20-38
  2.1 激光点火机理  20-25
    2.1.1 热点火机理  20-22
    2.1.2 光化学反应点火机理  22-23
    2.1.3 电离与等离子体点火机理  23-24
    2.1.4 冲击起爆点火机理  24-25
  2.2 激光点火实现方式  25-28
    2.2.1 激光直接点火  25-26
    2.2.2 激光快速加热金属薄膜点火  26
    2.2.3 激光驱动飞片点火  26-28
  2.3 激光点火系统组成  28-33
    2.3.1 发火控制系统  28
    2.3.2 激光器  28-29
    2.3.3 光纤及其光纤连接器  29-30
    2.3.4 保险与解除保险装置  30-32
    2.3.5 激光火工品  32-33
  2.4 激光强度和光纤芯径对激光点火的影响  33-35
    2.4.1 理论分析  33
    2.4.2 实验研究  33-35
  2.5 激光点火系统设计的关键问题与技术措施  35-36
  2.6 本章小结  36-38
第三章激光注入光纤的耦合特性  38-70
  3.1 高斯光束与光纤的基本耦合理论  38-42
    3.1.1 数值孔径失配对耦合效率的影响  38-41
      3.1.1.1 理论分析  38-39
      3.1.1.2 仿真分析  39-40
      3.1.1.3 实验研究  40-41
    3.1.2 注入光斑大小对耦合效率的影响  41-42
  3.2 凸透镜耦合  42-51
    3.2.1 理论分析  42-47
    3.2.2 实验研究  47-51
  3.3 光纤端面球透镜耦合  51-56
    3.3.1 基本理论  51-53
    3.3.2 仿真分析  53-56
  3.4 导光锥耦合  56-69
    3.4.1 基本理论  56-58
      3.4.1.1 导光原理  56-57
      3.4.1.2 耦合原理  57-58
    3.4.2 导光锥耦合效果验证实验  58-62
    3.4.3 导光锥的导光与耦合特性仿真分析  62-65
    3.4.4 导光锥设计  65-69
  3.5 本章小结  69-70
第四章光纤与光纤的耦合连接特性  70-82
  4.1 光纤与光纤藕合损耗影响因素  70-71
  4.2 光纤光开关的设计仿真  71-77
    4.2.1 光开关的结构  71-73
    4.2.2 光开关的建模仿真  73-75
    4.2.3 光开关关键参数的确定  75-77
  4.3 光纤与光纤耦合连接的实验研究  77-81
    4.3.1 横向偏移对耦合连接效率的影响  78-79
    4.3.2 角度偏移对耦合连接效率的影响  79-81
  4.4 本章小结  81-82
第五章激光诱导光纤损伤  82-122
  5.1 损伤机理分析  82-89
    5.1.1 光纤端面损伤  83-84
    5.1.2 应力引起光纤损伤  84
    5.1.3 光纤内部激光自聚焦损伤  84-89
  5.2 激光诱导光纤损伤的实验装置和方法  89-96
    5.2.1 实验装置  89-90
    5.2.2 实验方法  90-93
    5.2.3 有效光斑面积的计算  93-94
    5.2.4 光纤的激光诱导损伤判断与数据处理方法  94-96
    5.2.5 损伤概率点线性拟合带来的不确定度  96
  5.3 光纤的激光诱导损伤特性分析  96-111
    5.3.1 实验参数  96-97
    5.3.2 光纤端面损伤及其形貌  97-98
    5.3.3 光纤端面损伤过程分析  98-100
    5.3.4 光纤端面损伤机理  100-111
  5.4 光纤的激光诱导损伤阈值测量和实验结果分析  111-118
    5.4.1 光纤端面污染对损伤的影响  111
    5.4.2 光纤端面损伤形貌  111-114
    5.4.3 光纤损伤阈值测量  114-118
  5.5 提高光纤损伤阈值的措施  118-121
    5.5.1 改善光纤端面质量  118-120
    5.5.2 优化激光注入方式  120
    5.5.3 激光预处理  120-121
    5.5.4 优化激光源  121
  5.6 本章小结  121-122
第六章光纤传能特性  122-162
  6.1 注入条件对光纤传能特性的影响  122-131
    6.1.1 横向偏移对光纤传能特性的影响  122-126
      6.1.1.1 横向偏移对光纤初始段截面内峰值功率密度的影响  122-123
      6.1.1.2 横向偏移对光纤输出光斑能量分布的影响  123-126
    6.1.2 角度偏移对光纤传能特性的影响  126-128
      6.1.2.1 角度偏移对光纤的初始输入段截面内峰值功率密度的影响  126-127
      6.1.2.2 角度偏移对光纤输出光斑能量分布的影响  127-128
    6.1.3 光纤斜端面对光纤传能特性的影响  128-131
      6.1.3.1 光纤斜端面对激光注入耦合效率的影响  129-130
      6.1.3.2 光纤斜端面对输入输出端面激光功率密度的影响  130-131
  6.2 光纤宏弯对光纤传能特性的影响  131-141
    6.2.1 光纤的宏弯损耗  131-136
    6.2.2 光纤宏弯对数值孔径的影响  136-140
    6.2.3 光纤宏弯对输出光斑能量分布的影响  140-141
  6.3 光纤传能特性的实验研究  141-154
    6.3.1 实验光纤  141-142
    6.3.2 实验装置  142-143
    6.3.3 光纤的线性与非线性吸收  143-146
    6.3.4 光纤输出光束特性  146-154
      6.3.4.1 激光光束质量的评价参数  146-148
      6.3.4.2 激光光束束宽的测量  148-150
      6.3.4.3 光纤输出光束特性  150-153
      6.3.4.4 光纤输出光斑能量分布  153-154
  6.4 光纤损伤对光纤传能特性的影响  154-160
    6.4.1 光纤端面损伤的影响  154-159
    6.4.2 光纤损伤的积累效应  159-160
  6.5 本章小结  160-162
第七章激光聚焦点火  162-176
  7.1 技术背景  162-163
  7.2 原理与装置构成  163-164
  7.3 聚焦装置设计分析  164-171
    7.3.1 光纤输出光束聚焦理论  164-168
    7.3.2 光纤透镜的设计  168-171
  7.4 光纤输出激光聚焦的仿真分析  171-173
    7.4.1 光纤球透镜  171-172
    7.4.2 光纤自聚焦透镜  172-173
    7.4.3 光纤锥  173
  7.5 实验研究  173-175
    7.5.1 光纤输出光束发散效应  173-174
    7.5.2 实验分析  174-175
  7.6 本章小结  175-176
第八章结论  176-179
  8.1 主要结论  176-178
  8.2 创新点  178
  8.3 问题与展望  178-179
致谢  179-180
参考文献  180-185
附录A ZEMAX软件介绍  185-186
附录B 导光锥内光线追迹程序源代码  186-188
附录C 部分实验器材  188-190
附录D 研究生期间发表文章情况及专利  190

高峰值功率激光的光纤传能特性研究

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