截面为平顶的脉冲光束传输特性的计算模拟

发布时间：2017-06-07 13:11

  本文关键词：截面为平顶的脉冲光束传输特性的计算模拟，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着激光的迅速发展,超短激光脉冲的出现为各个学科领域的研究提供了先进的技术条件和极端的物理环境,而各个学科领域的发展对激光脉冲的要求亦越来越多样化；譬如,在惯性约束核聚变、激光材料加工、激光美容等领域中,为保证得到预期的效果,通常要求脉冲光束为光强空间分布均匀的平顶脉冲光束。因此,有关平顶光束在自由空间中、色散介质中、光纤中以及通过光阑后等的传输的时间-空间特性、光强特性以及光谱特性的研究对激光脉冲的选取及相应器具的设计和应用均具有重要的实际意义。简单介绍了光谱异常行为；详细阐述了激光光学中常使用的研究方法、脉冲光束相关的基本概念(包括脉冲宽度、中心频率、载波频率及束腰宽度等)和平顶光束的两个数学物理模型——平顶高斯光束和超高斯光束。基于上述的基本理论与研究方法,以超短脉冲平顶高斯光束和超短脉冲超高斯光束为研究对象,研究了超短脉冲平顶高斯光束通过圆孔、圆环光阑后的传输特性及其光谱异常行为,超短脉冲超高斯光束通过圆孔圆环光阑后的传输特性及其光谱异常行为及超短脉冲平顶高斯光束在色散介质中的传输特性。文中所得的主要结论有：基于柯林斯积分公式和复高斯函数展开法推导出了超短脉冲平顶-高斯光束通过圆孔光阑后在频率域中的光场的解析表达式,研究了传输距离、截断参数和脉冲宽度的变化对光强分布及光谱变化的影响。结果表明：超短脉冲平顶-高斯光束通过圆孔光阑后的光强分布不再保持平顶分布,而是呈现出凹凸分布,且随着传输距离增加,光强凹凸分布更加明显,且边缘凹凸程度强于中间部分；在临界传输距离处出现光谱开关,当传输距离小于临界传输距离时,光谱蓝移,当传输距离大于临界传输距离时,光谱红移；在截断参数不变的情况下,随着传输距离的增加,光谱蓝移逐渐增加,传输到第一临界传输距离处,光谱移动从蓝移跃变到红移,即产生第一阶光谱开关,随着传输距离的继续增加,光谱移动从红移逐渐增加到蓝移,超短脉冲平顶-高斯光束传输到第二临界传输距离时,光谱移动从蓝移迅速跃变到红移,即产生第二阶光谱开关,以此类推；随着截断参数的增加,相对光谱移动明显降低同时伴随着光谱开关的总阶数逐渐降低；随着脉冲宽度的增加,相对光谱移动明显降低,但是光谱开关的总阶数及其产生的位置不发生变化。基于柯林斯积分公式和复高斯函数展开法推导出了超短脉冲平顶高斯光束通过圆环光阑后的光谱解析式,研究了传输距离和截断参数的改变对光强分布及光谱变化的影响。研究结果表明：超短脉冲平顶高斯光束通过圆环光阑后的光强分布发生异变,且随着传输距离的增大,光强分布逐渐集中在光轴上。在光谱开关附近,光谱分裂但不完全分裂成两个等高的峰值,随着传输距离的增加,光谱先发生蓝移然后发生红移；随着圆环孔径的增大,相对光谱移动的极值基本不发生变化,但是光谱开关的总阶数发生变化,而随着传输距离的增加,相对光谱移动呈现一定的规律性变化,最终光谱蓝移并趋于-恒定值。基于瑞利-索末菲衍射积分公式和复高斯函数展开法研究了超短脉冲超高斯光束通过圆孔光阑后在空间频率域中光场。给出了,n=2时的超短脉冲超高斯光束通过圆孔光阑后的解析式,对n=2时的超短脉冲超高斯光束的光谱移动和光谱开关进行了数值计算和分析。文中未作近轴近似,也未作远场近似,其研究结果具有一般性。研究结果表明,在临界衍射角附近产生光谱开关,光谱分裂成两个相等的峰值,当衍射角小于临界衍射角时,光谱红移；当衍射角大于临界衍射角时,光谱蓝移。在不同脉冲宽度情况下,随脉冲宽度增加,光谱开关的两个等值峰之间的角频率间隔减小、谱线宽度减小、相对光谱移动亦显著减小。基于瑞利-索末菲衍射积分公式推导出了在n=2或,n=3的情况下超高斯脉冲光束通过圆环光阑后在频率域中光场的一般解析式,给出了远场时间空间域中光场的解析表达式。对n=2时的超高斯脉冲光束通过圆环光阑的解析式进行了数值计算和分析,研究了远场轴外的光谱移动和光谱开关,以及临界衍射角附近的时间光强变化规律。结果表明,在临界衍射角处产生光谱开关,光谱分裂成两个相等的峰值。当衍射角小于临界衍射角时,光谱红移；当衍射角大于临界衍射角时,光谱蓝移。而随着脉冲宽度增加,光谱开关的两个等值峰之间的角频率间隔减小,谱线宽度亦减小。基于菲涅耳衍射积分公式,研究了超短脉冲平顶高斯光束在色散介质中的传输特性。研究结果表明：超短脉冲平顶高斯光束在色散介质中传输时,随着传输距离的增加,脉冲展宽；相对光谱移动随着传输距离的增加先增大后减小再增大,最终相对光谱移动趋于一恒定值；而轴上的光强则随着传输距离的增加先减小后增大,之后逐渐减小。
【关键词】：超短脉冲 平顶高斯 超高斯 圆孔光阑 圆环光阑 光谱开关 光谱蓝移
【学位授予单位】：西南石油大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN24
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-15
• 1.1 研究背景9-11
• 1.1.1 超短脉冲的发展9
• 1.1.2 光谱异常行为简介9-10
• 1.1.3 平顶光束的研究现状10-11
• 1.2 研究目的和意义11-12
• 1.3 研究方法和研究内容12-15
• 1.3.1 研究方法12-13
• 1.3.2 研究内容13-15
• 第2章 基本理论15-20
• 2.1 相关概念15-16
• 2.2 广义衍射理论16-18
• 2.3 数学物理模型18-20
• 第3章 超短脉冲平顶高斯光束在有光阑限制时的传输特性20-31
• 3.1 超短脉冲平顶高斯光束通过圆孔光阑后的传输特性20-25
• 3.1.1 超短脉冲平顶高斯光束通过圆孔光阑后的传输方程20-22
• 3.1.2 数值计算结果和分析22-24
• 3.1.3 结论24-25
• 3.2 超短脉冲平顶高斯光束通过圆环光阑后的传输特性25-31
• 3.2.1 超短脉冲平顶高斯光束通过圆环光阑后的传输方程25-26
• 3.2.2 数值计算结果和分析26-30
• 3.2.3 结论30-31
• 第4章 超短脉冲超高斯光束在有光阑限制时的传输特性31-46
• 4.1 超短脉冲超高斯光束通过圆孔光阑后的传输特性31-38
• 4.1.1 超短脉冲超高斯光束通过圆环光阑后的传输方程31-34
• 4.1.2 数值计算结果和分析34-37
• 4.1.3 结论37-38
• 4.2 超短脉冲超高斯光束通过圆环光阑后的传输特性38-46
• 4.2.1 超短脉冲超高斯光束通过圆环光阑后的传输方程38-43
• 4.2.2 数值计算结果和分析43-44
• 4.2.3 结论44-46
• 第5章 超短脉冲平顶高斯光束在色散介质中的传输特性46-50
• 5.1 超短脉冲平顶高斯光束在色散介质中的传输方程46-47
• 5.2 数值计算结果和分析47-49
• 5.3 结论49-50
• 第6章 全文总结50-52
• 致谢52-53
• 参考文献53-57
• 攻读学位期间发表的学术论文57

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 胡利云,周南润,陶向阳,雷敏生;平顶高斯光束的解析传输公式[J];江西师范大学学报(自然科学版);2003年02期

  本文关键词：截面为平顶的脉冲光束传输特性的计算模拟，由笔耕文化传播整理发布。

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本文编号：429166