厚介质情况下激光“热像”的演化规律及抑制方法研究

论文摘要

自聚焦，特别是小尺度自聚焦，一直是制约高功率激光系统安全运行和提高输出功率的瓶颈因素之一。作为一种特殊的小尺度自聚焦效应，“热像”现象产生阈值低，且不易追迹，往往在人们认为“安全”的光强下，意外地损伤系统中昂贵的光学元件，因而掌握“热像”的演化规律并寻找一种有效的方法抑制“热像”效应对于高功率激光系统的安全运行具有重要意义。本文在“热像”形成的衍射理论模型基础上，对“热像”效应进行了系统深入地模拟，并对如何抑制“热像”效应进行了相关研究。论文的主要工作分为如下几部分： （1）与“热像”相关的理论基础研究。从麦克斯韦方程组出发，推导了描述强激光在克尔介质中传输行为的非线性近轴波动方程；以B-T理论为基础，分析了小尺度自聚焦的形成规律；分析了小尺度自聚焦效应的数值模拟算法，详细给出了传输矩阵法和分步傅里叶算法；讨论了“热像”形成的衍射理论模型。 （2）研究了厚介质情况下激光“热像”的演化规律。重点考虑了散射点调制系数（包括振幅调制和相位调制）、散射点与非线性介质前表面之问的距离、散射点大小、入射光强等参数的变化对“热像”点强度以及位置的影响，还研究了散射点位于介质前表面这种特殊情况下形成的“热像”。在此基础上将其推广到介质具有增益损耗的情况。 （3）数值模拟了多散射点形成的“热像”。分别探讨了处于同一平面和不同平面的多个散射点形成“热像”的情况。研究了周围的其它散射点对某个散射点形成“热像”的影响。对于阵列调制形成的“热像”给出了相应的模拟结果。 （4）“热像”效应的抑制方法研究。在各种抑制“热像”效应的方法中选取采用滤波器来抑制“热像”效应。首先基于小尺度自聚焦的B-T理论和空间滤波器对频谱的限制作用，推导了与最快增长频率对应的空间滤波器针孔直径满足的关系式；接着基于“热像”形成的衍射理论分析模型，模拟分析了不同针孔直径的空间滤波器对“热像”的抑制作用。模拟结果表明，采用空间滤波器针孔孔径比理论计算得到的空间滤波器针孔孔径小的时候，设置合适的参数可以取得对“热像”效应较好的抑制效果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 非线性自聚焦现象
• 1.2 “热像”效应及其研究进展
• 1.2.1 “热像”效应的发现
• 1.2.2 “热像”效应的研究进展
• 1.3 选题目的及意义
• 1.4 主要研究内容
• 第2章 光束传输的理论基础
• 2.1 非线性近轴波动方程
• 2.2 小尺度自聚焦的基本理论
• 2.2.1 自聚焦的全反射模型
• 2.2.2 小尺度自聚焦的B-T理论
• 2.3 小尺度自聚焦的数值模拟算法
• 2.3.1 非线性传输矩阵法
• 2.3.2 分步傅里叶算法
• 2.4 “热像”形成的衍射理论分析模型
• 第3章 厚介质情况下激光“热像”的演化规律
• 3.1 引言
• 3.2 “热像”形成的数值研究
• 3.2.1 程序处理流程
• 3.2.2 “热像”形成的数值模拟
• 3.3 散射点的相关参数对“热像”强度和位置的影响
• 3.3.1 振幅与相位调制的影响
• 3.3.2 散射点与非线性介质前表面之间距离的影响
• 3.3.3 散射点尺寸的影响
• 3.3.4 光强的影响
• 3.3.5 处于介质前表面的散射点形成的“热像”
• 3.4 介质具有增益损耗情况下“热像”的形成
• 3.4.1 非线性近轴波动方程推广
• 3.4.2 增益损耗情况下“热像”形成的数值模拟
• 3.5 讨论
• 3.5.1 散射点偏离光束中心的情况
• 3.5.2 相位调制系数大于2π的情况
• 3.5.3 入射光波不同的影响
• 3.6 小结
• 第4章 多散射点形成“热像”的数值分析
• 4.1 引言
• 4.2 同一平面上多个散射点形成“热像”的数值分析
• 4.2.1 同一平面上两个散射点形成的“热像”
• 4.2.2 散射点参数对多点“热像”形成的影响
• 4.2.3 同一平面上多个散射点形成的“热像”
• 4.3 不同平面多个散射点形成“热像”的数值模拟
• 4.3.1 不同平面不同中心的两个散射点形成“热像”
• 4.3.2 同中心不同平面的两个散射点形成“热像”
• 4.4 阵列调制形成“热像”的数值模拟
• 4.5 小结
• 第5章 激光“热像”效应的抑制方法研究
• 5.1 引言
• 5.2 抑制“热像”效应的方法
• 5.3 用空间滤波器抑制“热像”效应研究
• 5.3.1 空间滤波器孔径参数的选择
• 5.3.2 空间滤波器对“热像”的抑制作用
• 第6章 总结与展望
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表的学术论文与参加的科研项目
• 致谢