化学激光近场强度分布不均匀性影响因素

作者:牛志峰;韦承甫 刊名:舰船防化 上传者:杨海

【摘要】为了改进化学激光近场强度均匀性,对影响光束近场强度分布的各种因素进行了研究。建立了光学谐振腔数学计算模型,应用角谱法对腔内增益介质划分成多个薄层进行近似计算。计算结果表明,激光束近场强度分布沿增益气流方向呈现中间强、两侧弱的特点,并且包含比较精细的条纹结构。结合试验实测的光斑进行比较分析,认为光束强度分布不均由多次衍射和增益分布造成。研究结果在改善激光器近场强度分布均匀性研究及工程应用上具有一定的参考价值。

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0引言化学激光在激光器诞生不久就出现了,它是通过化学反应直接产生粒子数反转,将化学能转化为激光能。高能连续波化学激光器的典型代表有HF/DF化学激光器和氧碘化学激光器(简称COIL)。自从它们诞生以来就得到了快速的发展,20世纪80年代美国建成了2.2MW级的DF激光器,之后又在研制5MW级的ALPHA激光器[1]。我国在化学激光器上也有比较多的研究,并取得了不少进展。高能化学激光的应用效果不仅取决于它的功率,还取决于激光束的光束质量。目前已经有很多关于高?R1R2GainAreaR1R2GainAreaRealFocus能激光束光束质量方面的研究,主要集中在如何提高远场光斑的能量集中度上,包括激光谐振腔的腔型改进[2]、镜片加工误差控制[3]、镜片或窗口热变形[4]抑制、气流扰动[5]、介质不均匀性[6]的改善等。而近场强度分布均匀性同样会对激光的应用产生影响,近场强度分布不仅对远场光斑有影响[7],而且还会使近场光束的能量分布产生梯度,并使镜片热分布不均,局部区域功率密度过高,甚至损伤镜片[8]。以下将以DF激光器为例分析化学激光近场强度分布不均匀性的影响因素。1光学结构及试验现象化学激光器的增益系数比较大,为了充分提取反转粒子数一般采用非稳定腔。典型的非稳腔为共焦非稳腔,它又分为两种:正支非稳腔和负支非稳腔。如图1和图2所示,正支腔由凹面镜和凸面镜组成,负支腔由两块凹面镜相向放置组成,灰色区域为增益区。其中主镜的曲率半径为1R,次镜的曲率半径为2R,腔的几何放大率为12M?RR。图1正支共焦非稳腔结构Fig.1Confocalpositivebranchunstableresonator图2负支共焦非稳腔结构Fig.2Confocalnegativebranchunstableresonator这两种非稳腔都可以运用在高能化学激光中,并获得良好的光束质量,但在细节上有所区别。其中负支腔在腔内存在实焦点,且提取效率低于正支腔。为了研究化学激光的光束强度分布,设计了如图3所示的采集光路。由激光器产生的高能激光经过分光镜后大部分光能被能量计吸收,少部分透过的光能经缩束器缩束后分别进入近场和远场探测器。其中近场探测器得到的是激光束近场的强度分布信息。图3激光束数据采集光路Fig.3Schematicofopticalpathforlaserdatacollection利用图3所示的光路进行试验,腔型使用正支腔得到的激光近场强度分布如图4所示。其中光斑上侧和右侧的光强分布图是从两个方向各选取的一个截面进行绘制。光斑中的三条放射形的暗线是缩束器中的支撑筋投影。图4试验实测的激光近场分布图Fig.4Nearfieldintensitydistributionbyexperiment由图4可知,近场光束具有一定的不均匀度,并有以下特点:a.从增益气流流动方向(光斑的左右方向)来看,呈现中间强两边弱的特点。b.光束两个方向都有亮暗交替的条纹,并且上下方向更为明显。2理论模型与计算分析2.1谐振腔模型的建立将腔镜简化为一个复振幅反射片,当激光束U?x,y?经过镜面反射后,就与其复振幅反射率r?x,y?相乘。设球面反射镜的焦距为f,则复振幅反射率为:????22,exp2ikxyrxyAf?(1)式中:A是实振幅反射率;k?2??,指的是波数;f是球面反射镜的焦距。而光在自由空间中的传播,则利用FFT变换算法,将激光束U?x,y?转变到谱空间中进行以便快速计算。在谱空间中,用角谱?,?xyAff表示。经过z距离的传播,新的角谱变为:??22021,exp2zxy

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