高功率会聚激光在自聚焦介质中的传输与控制机理研究

论文摘要

近年来,激光传输与控制技术有了很多新的应用领域,尤其是太阳能的开发应用引起了人们极大的兴趣。地球之外丰富的太阳能使得空间发电极具魅力,在空间轨道堆积太阳能可以生成微波或者激光形式的聚焦电磁波,再通过无线能量传输到地球是全球可再生能源概念之一。2009年,美国利弗莫尔实验室、俄罗斯科学院西北利亚分院、英国阿斯顿大学的研究人员联合报道了利用激光技术传输空间太阳能技术的发展。因此,高功率会聚激光的传输和控制值得我们进一步去探索。首先,理论分析了高功率会聚激光在自聚焦介质中的传输过程,得到了焦斑位置的计算公式。从光束自聚焦和透镜聚焦理论出发,推导出激光束在自聚焦和透镜聚焦共同作用下聚焦焦斑位置的表达式。发现焦斑位置受入射功率、初始束宽以及透镜焦距影响,聚焦的长度正比于初始束宽和透镜焦距,反比于入射功率其次,系统模拟了高功率激光的焦斑位置随入射功率、初始束宽及透镜焦距的变化,并得到了光束焦斑位置的控制机理。基于能完整解释衍射,自聚焦和透镜聚焦效应的非线性薛定谔传输方程和分步傅里叶算法,分别模拟了入射功率初始束宽及透镜焦距对焦斑位置的影响,模拟结果表明光束聚焦长度随激光束入射功率增加而减小,随入射光束初始束宽增大而增大,随透镜焦距增大而增大,与上述理论结果一致。焦斑位置控制机理可以概括为：匹配上述三个影响因素的大小关系,使它们对光束扩散作用和聚焦作用恰好能相互抵消。最后,研究高功率会聚激光在自聚焦介质传输过程中,焦斑大小随入射功率、入射光束初始束宽、及透镜焦距的变化,并且在实现焦斑位置控制的同时,保证了焦斑大小。从衍射理论出发,分析得到焦斑大小随射功率成功率增加而增大,随初始束宽增加而减小,随透镜焦距增加增大。并通过相应的数值模拟,两者结果吻合。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 插图索引
• 第1章 绪论
• 1.1 研究意义
• 1.2 研究背景
• 1.2.1 自聚焦的基本概念
• 1.2.2 自聚焦的研究历史进展
• 1.2.3 激光传输技术的应用
• 1.3 本论文内容与框架
• 第2章 高功率会聚激光传输控制的研究基础
• 2.1 引言
• 2.2 激光光束自聚焦的基本原理
• 2.2.1 非线性极化和非线性折射率
• 2.2.2 非线性薛定谔方程
• 2.3 透镜聚焦的基本理论
• 2.3.1 薄透镜——相位变换器
• 2.3.2 厚度函数
• 2.3.3 透镜效应的物理意义
• 2.3.4 透镜的傅里叶变换性质
• 2.4 非线性传输过程的求解方法
• 2.4.1 分步傅里叶方法
• 2.4.2 线性传输——衍射
• 2.4.3 非线性传输
• 2.5 小结
• 第3章 焦点位置控制研究
• 3.1 引言
• 3.2 光束焦点位置控制的理论分析
• 3.2.1 聚焦长度
• 3.2.2 焦点位置的影响因素
• 3.3 光束焦点位置控制的数值验证
• 3.3.1 模拟参数的基本设置
• 3.3.2 焦点位置的确定
• 3.3.3 入射功率对焦点位置的影响
• 3.3.4 光束初始束宽对焦点位置的影响
• 3.3.5 透镜焦距对焦点位置的影响
• 3.3.6 实现焦点位置的控制
• 3.4 小结
• 第4章 焦斑大小控制研究
• 4.1 引言
• 4.2 激光光束质量的评价
• 4.2.1 束宽的定义
• 4.2.2 聚焦光斑尺寸的影响因素
• 4.3 衍射作用对束宽的影响
• 4.3.1 波长对束宽变化的影响
• 4.3.2 初始束宽对束宽变化的影响
• 4.4 自聚焦和透镜聚焦对焦斑大小的影响
• 4.4.1 入射功率对焦斑大小的影响
• 4.4.2 光束初始束宽对焦斑大小的影响
• 4.4.3 透镜焦距对焦斑大小的影响
• 4.5 小结
• 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A （攻读硕士学位期间所发表的学术论文目录）