气体透镜应用于超高强度平行激光束产生技术研究

发布时间：2020-08-12 12:23

【摘要】：气体透镜是通过控制气体温度分布变化即控制折射率分布的变化,来获取类似于传统玻璃透镜抛物线型的相位延迟分布,进而激光束穿过气体透镜后产生近似球面的波前,达到发散或聚焦的效果。气体透镜相较于传统的玻璃透镜具有较高的损伤阈值,激光束通过性稳定优良,使用寿命长,安全经济实惠,且其散射可以忽略不计,将来可能取代玻璃透镜用来控制高功率、高通量激光束。本文以设计一个气体负透镜装置替代玻璃负透镜光学元件为研究背景,从两方面进行了研究。首先,利用有限元方法模拟了气体负透镜内的温度、密度、折射率分布形态的数值解,研究了影响气体负透镜等效焦距的关键性能参数;另外,从实验上验证了气体负透镜对激光束的发散效果,推导了其等效焦距,实验现象基本符合理论分析。该研究有利于正确理解气体透镜的原理,拟对气体透镜的设计优化提供参考依据,及将来代替玻璃透镜的应用提供一定的指导。主要研究内容和研究结果包括以下几个方面:(1)利用有限元软件构建了气体负透镜的三维模型,模拟得到了气体负透镜内的温度、密度、折射率分布形态的数值解。结果表明,温度或密度分布关于中心轴旋转对称,等温面或等密度面为围绕光轴的一系列同心圆柱面;近似条件下,横截面内折射率分布与径向位置满足抛物线型关系;通过数值积分获得了径向梯度折射率引起的轴向光传播的相位延迟分布,对相位延迟分布通过最小二乘法进行拟合,拟合结果表明符合抛物线函数形式。(2)基于相位延迟分布曲率获得了气体负透镜的等效焦距。理论模拟了气体负透镜的结构长度、热气流温度和轴向流速、冷却液温度及热传导系数等影响等效焦距的关键性能参数。结果表明:a).结构长度越短,等效焦距越大,原因为热气流在非常短的管内所形成的温度梯度很小,导致热透镜效应减弱;但当结构长度增加到一定值,其等效焦距基本保持恒定。b).随着充入气体负透镜的热气流温度和轴向流速的增加,等效焦距总体呈减小的趋势;当热气流轴向流速从0增加到10m/s时,等效焦距急速减小,当轴向流速超过20m/s时,等效焦距愈来愈趋近于平和。c).通过改善气体负透镜的热交换条件,例如增加循环冷却液在气体负透镜管道外壁的流速,或降低冷却液温度,将导致热透镜效应增强,相应的等效焦距减小。(3)利用CCD法测量平行激光束通过气体负透镜前后的光斑尺寸发散程度,借助光学传输矩阵和q参数的ABCD法则,根据物方与像方高斯光束之间的透镜变换关系,推导其等效焦距。实验现象基本符合理论分析,并对气体负透镜应用于超高强度平行激光束产生装置进行了概述。
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TH74
【图文】：

原理图,海市蜃楼,原理图

电子科技大学硕士学位论文统的玻璃透镜不可避免地产生球差，原因在于传统的度得到球面曲面[4]。例如聚焦透镜，中间厚两边薄，与距相对比，通过边缘的焦距较短，导致聚焦光束扩大增加，激光光束通量密度降低。必要引入本文所述的气体透镜概念。气体透镜的梯度界中普遍存在，例如图 1-1 所示的海平面上的海市蜃楼大气存在明显的温度梯度，进而使大气的密度自上而射率随海拔高度的变化而变化。同理，机场跑道的可神泉现象，太阳的日出与日落时形状大小变化，都与匀变化有很大关系。一般在大气中，由温度或者密度海（地）平面垂直，因此大气的折射率沿着海（地）化。

温度分布,透镜,梯度折射率透镜,折射率

发散或负透镜，起发散或扩散光束它是借助于控制气体温度分布的变线型的相位延迟分布，同样达到发散概述GRIN)是非均匀折射率透镜，又称渐，是由具有梯度折射率的材料或介遵循一定的规律变化，用于描述非研究的梯度折射率透镜大致分类为以折射率透镜，它的折射率沿光轴呈其原理如图 2-1 所示[43]，此介质的折 2 000102N zNNzNz或者材料介质表面折射率小于内部率梯度。

折射率分布,径向梯度折射率,折射率梯度,渐变型

当省略掉 r4以上的高阶项，保留 r2以下的项，则公 2021n r n ar心轴的径向距离，a 为折射率梯度分布参数，0n 为中率介质一般经常使用的类型分别为渐变型和阶跃型，a)、(b)所示。图 2-2 径向梯度折射率透镜

【参考文献】