大容差光纤耦合系统的研究

论文摘要

惯性约束核聚变（Inertial Confinement Fusion,ICF）是当前核聚变研究的主要方向之一,对人类和平利用热核能意义重大。激光束焦斑的时间特性诊断是激光惯性约束聚变的重要组成部分。由于ICF光路的特殊性,采用光纤对激光束进行取样势在必行,方便合理地将光束取样到诊断模块是实现激光束时间诊断的关键。目前,时间诊断模块的光纤取样系统存在装调困难,取样成功率低的不足。本文围绕如何实现激光到光纤的大容差耦合展开研究工作,主要内容包括以下几个方面:1.对影响耦合效率的主要因素进行了讨论,建立了三个位置偏差-耦合效率模型,指出角度偏差是影响耦合效率的主要因素。2.研究了阶跃型石英光纤色散特性对不同脉宽高斯脉冲波形的影响。理论分析表明,阶跃型石英光纤可以不失真地传输纳秒级高斯脉冲。3.从保证耦合效率、提高耦合容差角度出发,提出基于大口径聚焦透镜结合四分之一节距自聚焦透镜可以同时提高径向和角度容差的耦合方案。仿真分析表明,该耦合方案可以在保证一定耦合效率的同时,显著提高耦合系统的容差能力。4.针对时间诊断模块对光束全口径取样的特殊要求,建立了匀光棒时间匀化理论模型,提出了通过将入射光束打散匀化后再耦合至光纤的耦合方案。同时研究了不同截面形状的匀光棒在不同耦合方式下对不同波长光束的匀化特性,建立了考察匀化性能的评价指标。5.设计了验证匀光效果的实验方案,从不同方面考察了匀光棒的匀化性能,并对结果进行了深入分析。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 引言
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本文主要工作与组织流程
• 第二章 激光-光纤耦合机制
• 2.1 激光工作模式
• 2.1.1 激光产生基本原理
• 2.1.2 谐振腔与激光模式
• 2.1.3 激光特性
• 2.1.4 高斯光束
• 2.1.5 固体激光器—掺钕激光器
• 2.2 光纤传输特性
• 2.2.1 光纤的结构形式
• 2.2.2 光纤的结构参数
• 2.2.3 光纤的传输特性
• 2.3 激光-光纤耦合原理
• 2.4 耦合系统容差分析
• 2.4.1 横向误差的影响
• 2.4.2 纵向误差的影响
• 2.4.3 角度误差的影响
• 2.5 本章小结
• 第三章 高斯型脉冲在光纤中的传输
• 3.1 激光脉冲
• 3.2 光纤的色散分析
• 3.2.1 材料色散分析
• 3.2.2 模式色散分析
• 3.3 本章小结
• 第四章 基于自聚焦透镜的激光光纤耦合
• 4.1 基于组合透镜的大容差耦合原理
• 4.2 自聚焦光纤
• 4.3 锥形光纤
• 4.4 半球形端面光纤增大光纤接收角
• 4.5 耦合系统光学结构设计及仿真
• 4.6 本章小结
• 第五章 激光光纤耦合的匀光问题
• 5.1 基于匀光机制的大容差耦合原理
• 5.2 匀光棒的匀光机理
• 5.2.1 多边形截面匀光棒
• 5.2.2 圆形截面匀光棒
• 5.3 匀光棒的参数计算
• 5.4 耦合系统的仿真试验
• 5.4.1 匀光棒准确耦合匀光效果分析
• 5.4.2 匀光棒容差耦合匀光效果分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 匀光棒激光光纤耦合实验
• 6.1 实验目的
• 6.2 试验设备选型
• 6.3 实验流程及结果
• 6.4 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 研究工作总结
• 7.2 有待改进的工作
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表的论文
• 致谢