發(fā)布時(shí)間：2020-08-18 08:00

【摘要】：高功率大口徑激光發(fā)射系統(tǒng)是各國(guó)在工業(yè)及軍事等領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)前沿問(wèn)題。為了滿足光電設(shè)備的使用需求,本文提出一種多波段高功率激光合束發(fā)射方法,集跟蹤發(fā)射于一個(gè)系統(tǒng),各波段激光進(jìn)行非相干合束后共口徑發(fā)射,系統(tǒng)體積小,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,機(jī)動(dòng)性能良好,可適應(yīng)不同環(huán)境下的使用要求,是一種新型的激光發(fā)射方法。在高功率激光系統(tǒng)中,光學(xué)元件產(chǎn)生的熱效應(yīng)將導(dǎo)致輸出激光光束質(zhì)量下降,利用有限元軟件和Matlab軟件作為工具,采用光機(jī)熱一體化分析流程,圍繞合束系統(tǒng)激光熱效應(yīng)、環(huán)境溫度熱沖擊和遠(yuǎn)場(chǎng)光束質(zhì)量評(píng)價(jià)等方面展開了研究在合束系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段,首先對(duì)不同的非相干合束方法進(jìn)行研究,確定了采用波段合束方法對(duì)三個(gè)波段激光進(jìn)行合束,合束鏡的基底材料選擇優(yōu)良的紅外光學(xué)材料Zn Se。其次推導(dǎo)了激光遠(yuǎn)場(chǎng)重合效率公式以及激光遠(yuǎn)場(chǎng)覆蓋目標(biāo)公式,并利用Zemax軟件結(jié)合重合效率公式對(duì)合束光路進(jìn)行了仿真,對(duì)合束系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)的選擇提供了支持。最后,介紹了與合束系統(tǒng)配套的光路監(jiān)測(cè)和校正系統(tǒng),并對(duì)合束鏡的幾何參數(shù)和合束系統(tǒng)機(jī)械機(jī)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)分析。參與合束的紅外材料Zn Se屬于對(duì)熱較敏感材料,Zn Se材料合束鏡不僅有面型畸變同時(shí)還存在溫差產(chǎn)生的折射率梯度變化,所以利用光機(jī)熱一體化分析方法對(duì)合束鏡和合束系統(tǒng)進(jìn)行了熱光學(xué)分析。首先建立了不同工況下合束鏡的溫升和結(jié)構(gòu)分析模型,利用有限元法計(jì)算了在不同邊界條件和不同工況下的溫度場(chǎng)分布以及熱變形,計(jì)算了對(duì)流換熱系數(shù)和鏡架熱傳導(dǎo)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響,并對(duì)不同光斑尺寸和不同合束鏡厚度對(duì)熱畸變產(chǎn)生的影響進(jìn)行了仿真計(jì)算,總結(jié)了合束鏡的熱畸變規(guī)律。其次對(duì)實(shí)際應(yīng)用中的合束系統(tǒng)進(jìn)行了熱光學(xué)分析,對(duì)激光偏置造成的波前畸變進(jìn)行了具體分析,計(jì)算了在激光運(yùn)行90s時(shí)間內(nèi)的各波段激光波前畸變,并對(duì)不同環(huán)境溫度對(duì)激光遠(yuǎn)場(chǎng)光束質(zhì)量的影響進(jìn)行了仿真計(jì)算。最后,提出了針對(duì)合束系統(tǒng)的溫控措施,該方法可以在激光器運(yùn)行間歇將沉積的熱量帶走。建立了激光輻照熱效應(yīng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和激光遠(yuǎn)場(chǎng)功率測(cè)試平臺(tái),對(duì)合束鏡的激光輻照熱效應(yīng)進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果顯示,熱效應(yīng)實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果與仿真計(jì)算的結(jié)果基本吻合。針對(duì)高功率激光系統(tǒng)難以測(cè)試的問(wèn)題,可以利用仿真計(jì)算并結(jié)合低功率激光作為替代光源對(duì)高功率激光熱效應(yīng)進(jìn)行驗(yàn)證。搭建激光遠(yuǎn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái),利用熱成像儀-功率計(jì)的方法測(cè)試激光系統(tǒng)熱效應(yīng)對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)激光的影響,可以看到熱效應(yīng)造成了遠(yuǎn)場(chǎng)激光功率下降,但測(cè)試數(shù)據(jù)波動(dòng)較大,仍需進(jìn)一步消除測(cè)量誤差。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院研究生院(長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TN249

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本文編號(hào)：2795956