光束空间相干性对激光在非线性介质中传输自聚焦效应的影响
发布时间：2021-10-26 11:19
强激光在非线性介质中传输时会发生自聚焦效应,从而影响光束的传输特性与质量。实际情况中,总是会遇到部分相干光（PCBs）,并且光束空间相干性与自聚焦效应有关。因此研究PCBs在非线性介质中的传输是有必要的。此外,自聚焦效应会导致介质发生光学损伤。之前关于非线性介质中准稳态（QSS）自聚焦的研究仅局限于完全相干脉冲光。因此研究部分相干脉冲光（PCLPs）的QSS自聚焦理论是非常有意义的。另一方面,地基激光空间碎片清除将受衍射和大气自聚焦效应的影响,而光束空间相干性与这两种效应有关。因此研究光束空间相干性对地基激光清除空间碎片的影响是十分重要的。本论文主要研究了光束空间相干性对激光在非线性介质中传输自聚焦效应的影响,具体研究工作包括:1、研究了PCBs在非线性介质中的传输特性。推导出了PCBs在非线性介质中的解析传输公式（如:束宽、空间相干长度、曲率半径）,以及反转相干距离、自陷相干长度、瑞利长度、远场发散角和M 2因子等光束参量的解析公式。研究表明:当传输距离大于反转相干距离时,自散焦情况下的光束空间相干性要优于自聚焦情况下的。并且,最优化光束应涉及光束空间相干性和准...
【文章来源】：四川师范大学四川省
【文章页数】：66 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
高斯光束在非线性介质中，(a)自散焦介质；(b)自聚焦介质
四川师范大学硕士学位论文36果非常吻合，表明了本章中推导得到的传输公式是正确的。因此，图5.2-5.9的计算结果都是由本章的解析公式得到的。图5.1束宽随传输距离的变化曲线，实线：公式(5.1.7)；圆圈：数值模拟。5.2焦距5.2.1实际焦距光的衍射和自聚焦效应会导致光束发生焦移。定义光束在传输过程中的最小束宽处为实际焦点，则实际焦距f为地面到实际焦点的距离。图5.2(a)为不同σ0时光束宽度w(z)随传输距离z的变化曲线，图5.2(b)为不同P时光束宽度w(z)随传输距离z的变化曲线。图5.2(a)中虚线和实线分别表示自由空间中线性传播和大气中非线性传播的结果。由图5.2可知，实际焦点将远离碎片目标，并且f随着σ0增加(如图5.2(a)所示)或P降低(如图5.2(b)所示)而增加。研究表明，碎片目标处的光束束宽随着σ0的增加或P的减小而减小，其物理解释如下。光的衍射和大气自聚焦作用会引起焦移。众所周知，衍射作用随σ0减小而增大，但自聚焦作用随着σ0增大而增大。因此，在自由空间中，焦移随σ0的减少而增大(见图5.2(a)中的虚线)。然而，在大气中，焦移是由衍射和自聚焦作用共同引起的。由于自聚焦作用，焦点变化量Δ随着σ0的增大而增大(如图5.2(a)所示)。此外，随着σ0的变化，由衍射作用引起的焦移要比由自聚焦作用引起的焦移大得多(如图5.2(a)所示)。因此，f随着σ0的增加而增加，即，当σ0减小时，实际焦点远离碎片目标。另一方面，当σ0一定时，即衍射作用引起的焦移一定，但自聚焦作用引起的焦移会随P的增加而增加。因此，f随P的减小而增大，即，随着P的增大，实际焦点离碎片目标越来越远(如图5.2(b)所示)。
5光束空间相干性对激光空间碎片清除的影响37图5.2光束宽度w随传输距离z的变化曲线(a)σ0不同时；(b)P不同时。虚线：在自由空间中的线性传输；实线：在大气中的非线性传输。实际焦距f可由光束束宽对传输距离的一阶导数确定，即dw(z)/dz=0。由式(5.1.7)可以得到实际焦距f的解析式为2202220111(),11()RRRRhFzzfhFzz=+(5.2.1)其中，h<<F，1h/F≈1。由式(5.2.1)可以得到f<F=L，即，实际焦点位于碎片目标之前。由式(5.2.1)和(5.1.10)可得，光束束宽最小值wmin的解析式为22022min22021.11RRRhwzwhzFz+=+(5.2.2)当σ0→∞时，式(5.1.2)和(5.2.2)可以简化为完全相干高斯光束的相应公式。5.2.2修正透镜焦距从5.2.1节可知，由于衍射和自聚焦作用，GSM光束的实际焦点将位于碎片目标之前(即，f＜L)，这对清除空间碎片是不利的。在参考文献[39]中，Rubenchik等人定性地提出初始光束预散焦可以补偿完全相干高斯光束的自聚焦效应带来的不利影响。为了将PCBs的实际焦点移到碎片目标，本节推导了修正透镜焦距。对于GSM光束，令式(5.2.1)中的f=L，可以得到修正透镜焦距的表达式为
【参考文献】：
期刊论文
[1]关联成像及其应用研究进展[J]. 蔡阳健. 四川师范大学学报(自然科学版). 2018(06)
[2]湍流作用下地基激光清除空间碎片的影响规律[J]. 温泉,马赛,杨丽薇,赵尚弘,方英武,王轶,丁西峰,林涛. 激光与红外. 2017(03)
[3]用于空间碎片清除的高功率激光器(英文)[J]. APOLLONOV V V. 中国光学. 2013(02)
[4]高斯-谢尔模型光束通过非线性介质后的光强分布[J]. 亓红群,蒲继雄,刘永欣,石丽芬. 华侨大学学报(自然科学版). 2008(03)
本文编号：3459410
【文章来源】：四川师范大学四川省
【文章页数】：66 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
高斯光束在非线性介质中，(a)自散焦介质；(b)自聚焦介质
四川师范大学硕士学位论文36果非常吻合，表明了本章中推导得到的传输公式是正确的。因此，图5.2-5.9的计算结果都是由本章的解析公式得到的。图5.1束宽随传输距离的变化曲线，实线：公式(5.1.7)；圆圈：数值模拟。5.2焦距5.2.1实际焦距光的衍射和自聚焦效应会导致光束发生焦移。定义光束在传输过程中的最小束宽处为实际焦点，则实际焦距f为地面到实际焦点的距离。图5.2(a)为不同σ0时光束宽度w(z)随传输距离z的变化曲线，图5.2(b)为不同P时光束宽度w(z)随传输距离z的变化曲线。图5.2(a)中虚线和实线分别表示自由空间中线性传播和大气中非线性传播的结果。由图5.2可知，实际焦点将远离碎片目标，并且f随着σ0增加(如图5.2(a)所示)或P降低(如图5.2(b)所示)而增加。研究表明，碎片目标处的光束束宽随着σ0的增加或P的减小而减小，其物理解释如下。光的衍射和大气自聚焦作用会引起焦移。众所周知，衍射作用随σ0减小而增大，但自聚焦作用随着σ0增大而增大。因此，在自由空间中，焦移随σ0的减少而增大(见图5.2(a)中的虚线)。然而，在大气中，焦移是由衍射和自聚焦作用共同引起的。由于自聚焦作用，焦点变化量Δ随着σ0的增大而增大(如图5.2(a)所示)。此外，随着σ0的变化，由衍射作用引起的焦移要比由自聚焦作用引起的焦移大得多(如图5.2(a)所示)。因此，f随着σ0的增加而增加，即，当σ0减小时，实际焦点远离碎片目标。另一方面，当σ0一定时，即衍射作用引起的焦移一定，但自聚焦作用引起的焦移会随P的增加而增加。因此，f随P的减小而增大，即，随着P的增大，实际焦点离碎片目标越来越远(如图5.2(b)所示)。
5光束空间相干性对激光空间碎片清除的影响37图5.2光束宽度w随传输距离z的变化曲线(a)σ0不同时；(b)P不同时。虚线：在自由空间中的线性传输；实线：在大气中的非线性传输。实际焦距f可由光束束宽对传输距离的一阶导数确定，即dw(z)/dz=0。由式(5.1.7)可以得到实际焦距f的解析式为2202220111(),11()RRRRhFzzfhFzz=+(5.2.1)其中，h<<F，1h/F≈1。由式(5.2.1)可以得到f<F=L，即，实际焦点位于碎片目标之前。由式(5.2.1)和(5.1.10)可得，光束束宽最小值wmin的解析式为22022min22021.11RRRhwzwhzFz+=+(5.2.2)当σ0→∞时，式(5.1.2)和(5.2.2)可以简化为完全相干高斯光束的相应公式。5.2.2修正透镜焦距从5.2.1节可知，由于衍射和自聚焦作用，GSM光束的实际焦点将位于碎片目标之前(即，f＜L)，这对清除空间碎片是不利的。在参考文献[39]中，Rubenchik等人定性地提出初始光束预散焦可以补偿完全相干高斯光束的自聚焦效应带来的不利影响。为了将PCBs的实际焦点移到碎片目标，本节推导了修正透镜焦距。对于GSM光束，令式(5.2.1)中的f=L，可以得到修正透镜焦距的表达式为
【参考文献】：
期刊论文
[1]关联成像及其应用研究进展[J]. 蔡阳健. 四川师范大学学报(自然科学版). 2018(06)
[2]湍流作用下地基激光清除空间碎片的影响规律[J]. 温泉,马赛,杨丽薇,赵尚弘,方英武,王轶,丁西峰,林涛. 激光与红外. 2017(03)
[3]用于空间碎片清除的高功率激光器(英文)[J]. APOLLONOV V V. 中国光学. 2013(02)
[4]高斯-谢尔模型光束通过非线性介质后的光强分布[J]. 亓红群,蒲继雄,刘永欣,石丽芬. 华侨大学学报(自然科学版). 2008(03)
本文编号：3459410
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