高能激光内通道传输仿真模型研究

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高能激光经过内通道传输时,由于光束口径小,功率密度高,会引起分光镜、反射镜等光学元件的热变形、气体的热晕等效应,导致激光功率和光束质量的降低,使激光远场传输能力下降。若精确地对内通道建模计算其对光束传输的作用,需涉及到一系列波动光学、傅里叶分析、有限元分析的方法,占用大量资源,耗时较长,结果没有普适性。本文研究的内通道传输仿真模型,能快速地估算内通道中反射镜热畸变和空气的热效应对光束的影响,高效地对内通道传输能力进行评估分析。课题研究是在OPTRAIN模型的基础上开展的。针对实际系统中常见的分光镜,结合模型中的方法,对高能激光条件下反射、透射对光束质量的影响进行更具体的推算;利用OPTRAIN模型编写辅助计算软件;在OPTRAIN模型的基础上,指出其存在的一些不足,并提出下一步改进和提高的途径。在对反射镜热畸变问题的研究上,建立了环形激光照射反射镜的物理模型,利用镜体吸收掉激光能量作为体热源的热传导方程求解多种情况下CaF2和Si镜的温度场规律。根据这些规律分情况拟合温升分布曲线,确定用分布曲线计算绝对温升需要的修正系数;将直接求解热传导方程和拟合曲线方法计算的镜体温升进行对比,证明了拟合曲线方法计算镜体温升的可行性。在对内通道中气体热效应影响的研究上,通过求解稳态热效应控制方程,计算了稳态下通道中气体的径向温度场分布,进一步完善了气体温升引起光束质量变化的计算方法,并结合典型实例数据推算了环形激光束遮拦比对热效应的影响和轴向吹气对热效应的减弱作用。根据上面的研究结论,在现有的高能激光系统可视化评估软件中加入内通道传输部分,通过合理设置内通道中气体和反射镜的各项参数,利用菲涅耳衍射积分,在考虑内通道对光功率及光束质量的影响时,可以计算远距离目标上的峰值功率密度。最后对内通道各因素对光束质量的影响大小进行了单独的对比计算。
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