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高功率激光系统中内光路热变形的仿真及实验研究

郭汝海 陈宁 时魁 王兵 施龙

郭汝海, 陈宁, 时魁, 王兵, 施龙. 高功率激光系统中内光路热变形的仿真及实验研究[J]. 红外与激光工程, 2013, 42(11): 2925-2930.
引用本文: 郭汝海, 陈宁, 时魁, 王兵, 施龙. 高功率激光系统中内光路热变形的仿真及实验研究[J]. 红外与激光工程, 2013, 42(11): 2925-2930.
Guo Ruhai, Chen Ning, Shi Kui, Wang Bing, Shi Long. Simulations and experiments on optical inner-channel thermal deformation for high-power laser system[J]. Infrared and Laser Engineering, 2013, 42(11): 2925-2930.
Citation: Guo Ruhai, Chen Ning, Shi Kui, Wang Bing, Shi Long. Simulations and experiments on optical inner-channel thermal deformation for high-power laser system[J]. Infrared and Laser Engineering, 2013, 42(11): 2925-2930.

高功率激光系统中内光路热变形的仿真及实验研究

基金项目: 

吉林省自然科学基金(201115123);应用基础研究基金(201205094)

详细信息
    作者简介:

    郭汝海(1976-),男,副研究员,博士,主要从事激光光学设计与光束控制方面的研究。Email:hitgrh@163.com

  • 中图分类号: TN21

Simulations and experiments on optical inner-channel thermal deformation for high-power laser system

  • 摘要: 为了研究高功率激光系统中的内光路热变形累积效应对光束质量的影响,开展了理论和实验研究。首先,选择三种非稳腔输出的典型高功率激光,激光功率分别为10 kW、50 kW和100 kW,通过热动力学瞬态方法的有限元分析对激光照射的反射镜进行热变形分析。然后,利用光线追迹理论得到激光的波前像差。最终,激光远场光束质量中的Strehl比,因子可以通过Fresnel衍射积分进行计算和对比分析。仿真结果表明,由于内光路反射镜的热变形,远场光束将出现偏心和像散的现象,其中心光强及会聚能力均会下降。随着内光路反射镜的增加,Strehl比减少而因子增加,远场光斑x方向的倾斜、像散及彗差也会逐渐增加,将成为系统的主要像差。为了和上述理论仿真结果进行对比,建立了一个测量反射镜热变形实验平台,实验中采用10 kW的TEA CO2激光器照射99%反射率的铜反射镜,通过等效放大原理,实验结果可以部分代替50 kW和100 kW功率水平。镜面热变形的测量精度小于/15,并和仿真结果吻合得较好。结果表明,反射镜的热变形在激光功率超过10 kW时不能被忽略,且随着激光功率及反射次数的增加,这种热畸变将变得越发严重。所得结果将对高功率激光系统的热畸变分析过程提供指导,并可应用于激光核聚变及激光武器系统等的设计分析中。
  • [1]
    [2] Perran G P, Marciniak M A, Goda M. High energy laser weapon: technology overview[C]//SPIE, 2004, 5414: 1-25
    [3] LaFortune K N, Hurd R L, Fochs S N, et al. Technical challenges for the future of high energy lasers[C]//SPIE, 2007, 6454(64540O): 64540O-1-64540O-11.
    [4]
    [5]
    [6] Qi Wenzong, Huang Wei, Zhang Bin, et al. Effects of thermal distortion of Si mirror irradiated by non-uniformity laser intensity on laser propagation[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2004, 16(8): 953-956. (in Chinese)齐文宗, 黄伟, 张彬, 等. 红外连续激光反射镜热畸变的有限元分析[J]. 强激光与粒子束, 2004, 16(8): 953-956.
    [7] Peng Yufeng, Cheng Zuhai, Zhang Yaoning, et al. Thermal distortion in a super-thin multilayer metal mirror with silicon substrate subjected to irradiation of high power lasers[J]. Chinese J Lasers, 2002, 29(1): 21-24. (in Chinese)彭玉峰, 程祖海, 张耀宁, 等. 强激光辐照下硅基片超薄多层金属镜的热畸变[J]. 中国激光, 2002, 29(1): 21-24.
    [8]
    [9] Yu Wenfeng, Sun Feng, Cheng Zuhai, et al. Effects on the mirror's thermo-deformation and deflection of different supporting way[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2005, 17(1): 29-32. (in Chinese)余文峰, 孙 峰, 程祖海, 等. 夹持方式对镜面热变形及偏转的影响[J]. 强激光与粒子束, 2005, 17(1): 29-32.
    [10]
    [11]
    [12] Zhou Ciming, Cheng Zuhai. Influence of thermal deformations of high power laser mirror on beam transfer characteristic[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2003, 15(10): 969-972. (in Chinese)周次明, 程祖海. 强激光反射镜热畸变对光束传输特性的影响[J]. 强激光与粒子束, 2003, 15(10): 969-972.
    [13] Du Yanyi, An Jianzhu, Shu Xiaojian. Effect of thermal distortion of mirror on characteristics of laser beam in unstable resonator[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2008, 20(8): 1333-1338. (in Chinese)杜燕贻, 安建祝, 束小建. 腔镜热变形对非稳腔光场特性的影响[J]. 强激光与粒子束, 2008, 20(8): 1333-1338.
    [14]
    [15]
    [16] Peng Yufeng, Han Junpeng, Zhang Yi. Influence of the thermal distortion of resonator mirrors on propagation properties of laser beams through atmosphere[J]. Infrared and Laser Engineering, 2011, 40(12): 2442-2446. (in Chinese)彭玉峰, 韩俊鹏, 张毅, 等. 腔镜热畸变对激光在大气中传输特性的影响[J]. 红外与激光工程, 2011, 40(12): 2442-2446.
    [17] Hu Yongjun, Mao Hongjun, Fu Sihua, et al. New criterion for alignment degree of cavity mirrors in unstable resonator[J]. Infrared and Laser Engineering, 2011, 40(11): 2244-2248. (in Chinese)胡永军, 毛宏军, 伏思华, 等. 非稳腔腔镜准制度判定的新方法[J]. 红外与激光工程, 2011, 40(11): 2244-2248.
    [18]
    [19] Rao Peng. Influence of thermal distortion on the propagation of beams in high energy laser channel[D]. Changsha: National University of Defense Technology, China, 2009: 30-34. (in Chinese)饶鹏. 镜面热畸变对高能激光系统内光路光束传输影响的数值计算[D]. 长沙: 国防科技大学, 2009: 30-34.
    [20]
    [21] Duan Qingrui. Photoaacoustic Photothermal Technique and Its Applications[M]. Beijing: Science Press, 1991: 78-80. (in Chinese)殷庆瑞. 光声光热技术及其应用[M]. 北京: 科学出版社, 1991: 78-80.
    [22]
    [23] Ji X L, Tao X Y, Lv B D. Influence of laser non-uniformity and thermal effects in an inner optical system on the far-field behavior[J]. Chinese J Lasers, 2004, 31(10): 1193-1197. (in Chinese)季小玲, 陶向阳, 吕百达. 激光非均匀形和内光路热效应对远场特性的影响[J]. 中国激光, 2004, 31(10): 1193-1197.
  • [1] 淡金川, 谭少阳, 王邦国, 肖垚, 邓国亮, 王俊.  波导结构对905 nm隧道结级联半导体激光器的光束质量和功率的影响 . 红外与激光工程, 2022, 51(5): 20210979-1-20210979-7. doi: 10.3788/IRLA20210979
    [2] 付敏, 李智贤, 王泽锋, 陈子伦.  高光束质量3×1光纤功率合束器的研制 . 红外与激光工程, 2022, 51(5): 20210354-1-20210354-7. doi: 10.3788/IRLA20210354
    [3] 袁振, 令维军, 陈晨, 杜晓娟, 王翀, 王文婷, 薛婧雯, 董忠.  高单脉冲能量被动调Q锁模Tm, Ho: LLF激光器 . 红外与激光工程, 2021, 50(8): 20210349-1-20210349-6. doi: 10.3788/IRLA20210349
    [4] 季艳慧, 何洋, 万浩华, 孙俊杰, 陈飞.  高功率循环流动型半导体泵浦碱金属蒸汽激光器研究进展(特邀) . 红外与激光工程, 2020, 49(12): 20201080-1-20201080-11. doi: 10.3788/IRLA20201080
    [5] 白翔, 何洋, 于德洋, 张阔, 陈飞.  小型化高光束质量MgO: PPLN中红外光参量振荡器 . 红外与激光工程, 2020, 49(7): 20190512-1-20190512-6. doi: 10.3788/IRLA20190512
    [6] 魏勇, 范一鸣, 李宏民, 陶家友, 钱坤, 周岳平.  激光V型腔参量对输出性能的影响 . 红外与激光工程, 2019, 48(1): 105004-0105004(6). doi: 10.3788/IRLA201948.0105004
    [7] 周松青, 黄珂, 沈炎龙, 易爱平, 瞿谱波.  电激励重频HF激光器非稳腔设计及实验研究 . 红外与激光工程, 2019, 48(10): 1005002-1005002(6). doi: 10.3788/IRLA201948.1005002
    [8] 岱钦, 崔建丰, 李业秋, 张善春, 李漫, 乌日娜, 姚俊.  脉冲LD泵浦千赫兹1.57 μm全固态激光器 . 红外与激光工程, 2018, 47(1): 105003-0105003(4). doi: 10.3788/IRLA201847.0105003
    [9] 柏刚, 沈辉, 杨依枫, 赵翔, 张璟璞, 何兵, 周军.  光谱合成激光阵列指向偏差的光束特性分析 . 红外与激光工程, 2018, 47(1): 103010-0103010(6). doi: 10.3788/IRLA201847.0103010
    [10] 景文博, 张汝平, 王晓曼, 赵洁, 杨世钰, 高洋洋.  CCD的非线性响应特性对光束质量测量的影响及修正 . 红外与激光工程, 2017, 46(8): 817004-0817004(8). doi: 10.3788/IRLA201746.0817004
    [11] 陈海东, 赵坤, 史学舜, 刘长明, 刘玉龙, 刘红博.  基于长波红外探测器绝对光谱响应度测量的激光源 . 红外与激光工程, 2017, 46(12): 1205002-1205002(7). doi: 10.3788/IRLA201746.1205002
    [12] 阮鹏, 潘其坤, 谢冀江, 刘春玲, 柴源.  非链式DF激光器非稳腔数值仿真与实验 . 红外与激光工程, 2017, 46(2): 205004-0205004(6). doi: 10.3788/IRLA201746.0205004
    [13] 黄大杰, 范薇, 张攀政, 李菁辉, 唐顺兴, 郭亚晶, 李学春, 林尊琪.  光寻址空间光调制器研制进展及性能测试 . 红外与激光工程, 2016, 45(9): 920001-0920001(6). doi: 10.3788/IRLA201645.0920001
    [14] 赵坤, 史学舜, 刘长明, 刘玉龙, 陈海东, 刘红博, 陈坤峰, 李立功.  用于探测器中红外绝对光谱响应度测量的激光源 . 红外与激光工程, 2016, 45(7): 705005-0705005(7). doi: 10.3788/IRLA201645.0705005
    [15] 王彬, 孙洪涛, 于永吉, 张健, 金光勇.  高功率声光调Q主振荡功率放大器 . 红外与激光工程, 2016, 45(12): 1205003-1205003(5). doi: 10.3788/IRLA201645.1205003
    [16] 张阔, 陆君, 杨贵龙, 陈飞, 李殿军, 郑长彬, 郭劲.  大功率TEA CO2 激光远场发散角评估方法 . 红外与激光工程, 2015, 44(8): 2286-2291.
    [17] 李峙, 尧舜, 高祥宇, 潘飞, 贾冠男, 王智勇.  半导体激光器堆栈快轴光束质量计算的研究 . 红外与激光工程, 2015, 44(1): 85-90.
    [18] 张世强, 蔡雷, 张政, 卢慧玲, 周松青, 瞿谱波.  超连续谱激光光束质量特性 . 红外与激光工程, 2014, 43(5): 1428-1432.
    [19] 董繁龙, 赵方舟, 葛廷武, 王智勇.  光纤弯曲对掺镱光纤激光器光束质量的影响 . 红外与激光工程, 2014, 43(11): 3565-3569.
    [20] 汤伟, 郭劲, 邵俊峰, 郭汝海, 王挺峰.  激光重频对脉冲非稳腔TEA CO2激光远场传输特性的影响分析 . 红外与激光工程, 2013, 42(9): 2380-2385.
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出版历程
  • 收稿日期:  2013-03-11
  • 修回日期:  2013-04-10
  • 刊出日期:  2013-11-25

高功率激光系统中内光路热变形的仿真及实验研究

    作者简介:

    郭汝海(1976-),男,副研究员,博士,主要从事激光光学设计与光束控制方面的研究。Email:hitgrh@163.com

基金项目:

吉林省自然科学基金(201115123);应用基础研究基金(201205094)

  • 中图分类号: TN21

摘要: 为了研究高功率激光系统中的内光路热变形累积效应对光束质量的影响,开展了理论和实验研究。首先,选择三种非稳腔输出的典型高功率激光,激光功率分别为10 kW、50 kW和100 kW,通过热动力学瞬态方法的有限元分析对激光照射的反射镜进行热变形分析。然后,利用光线追迹理论得到激光的波前像差。最终,激光远场光束质量中的Strehl比,因子可以通过Fresnel衍射积分进行计算和对比分析。仿真结果表明,由于内光路反射镜的热变形,远场光束将出现偏心和像散的现象,其中心光强及会聚能力均会下降。随着内光路反射镜的增加,Strehl比减少而因子增加,远场光斑x方向的倾斜、像散及彗差也会逐渐增加,将成为系统的主要像差。为了和上述理论仿真结果进行对比,建立了一个测量反射镜热变形实验平台,实验中采用10 kW的TEA CO2激光器照射99%反射率的铜反射镜,通过等效放大原理,实验结果可以部分代替50 kW和100 kW功率水平。镜面热变形的测量精度小于/15,并和仿真结果吻合得较好。结果表明,反射镜的热变形在激光功率超过10 kW时不能被忽略,且随着激光功率及反射次数的增加,这种热畸变将变得越发严重。所得结果将对高功率激光系统的热畸变分析过程提供指导,并可应用于激光核聚变及激光武器系统等的设计分析中。

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