第16卷第11期强激光与粒子束Vol.16,No.112004年11月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSNov.,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=E01+sxexp-(N+1)(x2+y2)a2∑Nn=01n!(N+1)x2a2n∑Nn=01n!(N+1)y2a2n-exp-(N+1)(x2+y2)b2∑Nn=01n!(N+1)x2b2n∑Nn=01n!(N+1)y2b2n(1)Fig.1Simulationmodelforanon2uniformannularsquarebeam图1入射非均匀环状方形光束模型式中: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]2ik5E5z=¤2⊥E+k2n2n20-1E(2)式中:k=2π/λ为波数,λ为波长;E为慢变场振幅;n0为未扰动时的折射率;n为折射率。等压近似下,流体力学方程为5ρ5t+ν·¤ρ=-(γ-1)αc2sI(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。©1995-2005TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.式中:I=|E|2exp(-αz)为光强,α为衰减系数;ρ为流体密度;ν=vxi+vyj+vzk为流体速度矢量,i,j,k分别是为x,y,z轴方向单位矢量,vx,vy,vz分别为速度矢量在x,y,z轴上的投影,vx,vy非零时称为有横向风存在(仅研究vx≠0,vy=0的情况),vz非零时称为有轴向风存在;cs为声速;γ=cp/cV,cp和cV分别为比定压热容和比定容热容。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SR,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,c...
