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气动光学的工程研究

作　者: 许晓军
导　师: 陆启生
学　校: 中国人民解放军国防科学技术大学
专　业: 光学工程
关键词: 气动光学高能激光化学激光器气动窗口光束传输管热晕光束质量波前重构波前延拓小波变换主动照明后向散射
分类号: O432.12
类　型: 博士论文
年　份: 2000年
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内容摘要

高能激光的产生、输出和传输等过程中，气流均会不同程度地影响光束质量。气动光学正是研究气流运动与电磁波传播之间相互作用的一门新兴学科。本文从理论和实验两个方面对气动光学在激光腔、气动窗口、激光传输管和大气中的应用进行了研究和探讨。根据介质的特征，将气动非均匀介质分为有序、随机和大气湍流三种类型。在此基础上，分析讨论了一套激光在三种介质中的传输模型及光束质量评价方法。建立了HF／DF化学激光器腔内和激光传输管及室内静止大气中的气动光学数值模型。推导了强激光技术中常用的光束质量定义在小扰动条件下的相互关系，对常用的光束质量β因子在多随机扰动条件下的公式进行了修正。进一步分析了随机扰动和有序扰动的测量方法，指出在两种扰动同时存在的条件下，横向剪切干涉仪（LSI）可以同时对两种扰动进行测量，因而是近场测量气动非均匀介质对光束质量影响的较好的研究方法。在有序扰动的测量中，从波前信息采样的角度比较了LSI和Hartmann波前传感器差别。在LSI的基础上，提出了波前延拓剪切干涉（WPSI）的波前重构及实现方法。考虑到WPSI的装置的复杂，在LSI的测量基础上，利用波前延拓的假设，通过小波变换实现了基于小波变换的LSI的波前重构新算法。对3-Slot喷管结构的HF／DF化学激光器腔内的运行情况进行了全面的数值模拟，计算了腔内介质在流场方向和腔轴方向上的二维有序不均匀分布，分析了腔内流场对不均匀性的影响，并与传统的2-Slot喷管和单氧化剂喷管结构的激光器腔内的介质不均匀性进行了比较。分析三种喷管结构的气流对介质不均匀性的影响。对非稳腔激光输出，介质不均匀性对输出波前扰动进行了分析。计算了在望远式非稳腔条件下，有序不均匀介质扰动对光束质量的影响。讨论了气动窗口的一般原理及其对光束波前的影响，着重分析了自由旋气动窗口的工作原理及气动光学特征。对一套30mm×30mm口径的自由旋气动窗口的气动光学量进行了LSI测量，重构了有序扰动在流场方向上的一维波前分布，给出了光束质量因子，与斜激波、膨胀波或联合机制的气动窗口进行了比较。测量分析了气动窗口的随机不均匀扰动的分布。用同样的装置，对万瓦级CO₂激光器的腔内介质不均匀性进行了测量诊断，通过测量给出了介质对波前扰动的最大倾斜量和随机扰动的尺度分布。诊断表明，激光器的喷管已有烧蚀，喉道宽度不均匀，造成了腔内随机不均匀起伏较大。利用强激光传输的大气流体动力学模型，对强激光传输过程中的大气温升进行了解析和数值估算。进一步，利用该模型对室内低风速，静止大气和光束传输管道大气中的热晕现象进行了数值模拟。对强激光（100kW级）细光束（Φ100mm）近距离（10m级）室内传输，热晕对光束质量影响的严重性进行了估算，并进行了实验验证。提出了消除热晕的一些手段。另外对激光主动照明中存在的后向散射问题建立了窄光束激光照明的后向散射物理模型，并进行了试验研究。

全文目录

中文摘要  5-7
英文摘要  7-9
第一章序言  9-16
  1.1 气动光学的概况与内容  9-11
  1.2 气动光学的研究  11-16
第二章气动光学理论及模型  16-31
  2.1 气动介质中的光束传输  16-24
    2.1.1 远场光强  17-22
    2.1.2 近场光场结构  22-24
    2.1.3 小结  24
  2.2 气动介质的折射率分布  24-31
    2.2.1 激光腔内折射率分布模型  25-28
    2.2.2 强激光大气及传输管的传输折射率分布模型  28-29
    2.2.3 小结  29-31
第三章气动光学的研究方法  31-60
  3.1 光束质量的评价  31-35
    3.1.1 近场评价  31-32
    3.1.2 远场评价  32-34
    3.1.3 β因子的一个修正  34-35
  3.2 随机扰动的光束质量的测量  35-37
  3.3 有序及湍流扰动的波前重构  37-42
    3.3.1 LSI波前复原  37-39
    3.3.2 HWS波前复原  39-40
    3.3.3 LSI和HWS的数值仿真与对比分析  40-42
    3.3.4 结论  42
  3.4 波前延拓剪切干涉  42-50
    3.4.1 WPSI的数学原理  43-46
    3.4.2 WPSI的实现  46-48
    3.4.3 数值模拟  48-50
    3.4.4 结论  50
  3.5 基于小波变换的横向剪切干涉  50-60
    3.5.1 剪切干涉与小波变换  50-53
    3.5.2 波前重构  53-55
    3.5.3 数值模拟  55-57
    3.5.4 结论  57-60
第四章 HF／DF化学激光器腔内介质不均匀性数值研究  60-85
  4.1 一种典型的3-SLOTHF／DF化学激光器  60-72
    4.1.1 激光器的运行参数  60-61
    4.1.2 激光腔内的基本物理量  61-65
    4.1.3 激光腔内的介质不均匀性  65-66
    4.1.4 氧化剂喷管对介质不均匀性的影响  66-67
    4.1.5 DF化学激光器  67-69
    4.1.6 泛频输出对介质不均匀性的影响  69-70
    4.1.7 N_2稀释剂对介质不均匀性的影响  70-72
  4.2 2-SLOTHF基频化学激光器  72-75
    4.2.1 基本物理量  73-74
    4.2.2 腔内介质不均匀性  74-75
    4.2.3 小结  75
  4.3 单氧化剂喷管HF基频化学激光器  75-79
    4.3.1 腔内流场  76-77
    4.3.2 增益系数  77-78
    4.3.3 介质不均匀性  78-79
  4.4 非稳腔化学激光器的介质波前扰动  79-85
    4.4.1 非稳腔化学激光器  79-81
    4.4.2 非均匀介质扰动  81-85
第五章气动器件的测量与诊断  85-99
  5.1 气动窗口的气动光学测量  85-95
    5.1.1 气动窗口的原理  85-87
    5.1.2 气动窗口的工作性能  87-89
    5.1.3 自由旋气动窗口的介质不均匀性测量  89-95
  5.2 CO_2气动激光器的气动光学诊断  95-99
第六章大气中的气动光学若干问题  99-125
  6.1 强激光大气吸收系数的计算  99-104
    6.1.1 大气吸收光谱  99-102
    6.1.2 大气吸收系数  102-104
  6.2 强激光大气温升的流体动力学模型  104-107
    6.2.1 强激光大气温升解析解  104-106
    6.2.2 强激光大气温升数值解  106-107
  6.3 激光大气后向散射模型  107-116
    6.3.1 散射模型  108-111
    6.3.2 激光照明的后向散射  111-113
    6.3.3 模型计算与试验研究  113-115
    6.3.4 小结  115-116
  6.4 室内细光束激光大气热晕的流体力学计算  116-121
    6.4.1 模型与计算  116-119
    6.4.2 实验验证  119-120
    6.4.3 结论  120-121
  6.5 光束传输管中的气动光学  121-125
    6.5.1 模型与计算  121-123
    6.5.2 结论与对策  123-125
结论  125-128
致谢  128-129

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