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厚介质情况下激光“热像”的演化规律及抑制方法研究

彭涛  
【摘要】:自聚焦,特别是小尺度自聚焦,一直是制约高功率激光系统安全运行和提高输出功率的瓶颈因素之一。作为一种特殊的小尺度自聚焦效应,“热像”现象产生阈值低,且不易追迹,往往在人们认为“安全”的光强下,意外地损伤系统中昂贵的光学元件,因而掌握“热像”的演化规律并寻找一种有效的方法抑制“热像”效应对于高功率激光系统的安全运行具有重要意义。本文在“热像”形成的衍射理论模型基础上,对“热像”效应进行了系统深入地模拟,并对如何抑制“热像”效应进行了相关研究。论文的主要工作分为如下几部分: (1)与“热像”相关的理论基础研究。从麦克斯韦方程组出发,推导了描述强激光在克尔介质中传输行为的非线性近轴波动方程;以B-T理论为基础,分析了小尺度自聚焦的形成规律;分析了小尺度自聚焦效应的数值模拟算法,详细给出了传输矩阵法和分步傅里叶算法;讨论了“热像”形成的衍射理论模型。 (2)研究了厚介质情况下激光“热像”的演化规律。重点考虑了散射点调制系数(包括振幅调制和相位调制)、散射点与非线性介质前表面之问的距离、散射点大小、入射光强等参数的变化对“热像”点强度以及位置的影响,还研究了散射点位于介质前表面这种特殊情况下形成的“热像”。在此基础上将其推广到介质具有增益损耗的情况。 (3)数值模拟了多散射点形成的“热像”。分别探讨了处于同一平面和不同平面的多个散射点形成“热像”的情况。研究了周围的其它散射点对某个散射点形成“热像”的影响。对于阵列调制形成的“热像”给出了相应的模拟结果。 (4)“热像”效应的抑制方法研究。在各种抑制“热像”效应的方法中选取采用滤波器来抑制“热像”效应。首先基于小尺度自聚焦的B-T理论和空间滤波器对频谱的限制作用,推导了与最快增长频率对应的空间滤波器针孔直径满足的关系式;接着基于“热像”形成的衍射理论分析模型,模拟分析了不同针孔直径的空间滤波器对“热像”的抑制作用。模拟结果表明,采用空间滤波器针孔孔径比理论计算得到的空间滤波器针孔孔径小的时候,设置合适的参数可以取得对“热像”效应较好的抑制效果。


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