CN115494639A - 高功率激光光束合成系统内通道热效应仿真方法 - Google Patents

高功率激光光束合成系统内通道热效应仿真方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种高功率激光光束合成系统内通道热效应仿真方法，通过先利用流体动力学的方法计算瞬态情况下流场的密度分布，并将流场的密度分布映射为折射率场分布后，以各子光束光路的光路转折处为界划分为多段直通道，对每段直通道引入傍轴近似，在不考虑光线对初始传播方向的偏离的情况下，分别计算各段直通道由于折射率分布不均引起的光程差，并对各段直通道的光程差进行叠加，得到各子光束在出光口处的光程差及波前相位分布，再进一步计算各子光束远场光斑分布，最终计算出合成光束的光束质量因子。通过在系统完成光机设计后对其内通道热效应的影响进行精确仿真，获得激光束波前畸变情况，从而可利用上述结果指导光机结构的调整。

Description

高功率激光光束合成系统内通道热效应仿真方法
技术领域
本发明涉及仿真技术技术领域，尤其涉及一种高功率激光光束合成系统内通道热效应仿真方法。
背景技术
随着工业制造和国防安全等领域对激光系统的输出功率要求越来越高，单路激光的功率已经不能满足相关应用需求，为实现高功率激光输出，通用的方法是基于各类合束技术的激光光束合成系统将多束高功率激光合为一束。高功率激光光束合成系统中从激光束入射端到系统出口端这段光传输通道称为系统内通道，高功率激光在内通道中经过时会加热气体、机械结构件及光学元件，通过热传导及热对流使气体温度升高，造成激光传输通道上气体流场密度不均匀，引起激光波前畸变，降低激光传输质量。
目前，在内通道热效应仿真方面，已有研究人员对内通道介质气体热效应仿真方法进行了研究。现有技术中，期刊《光电子激光》，2004年1月，第15卷第1期，作者柳建等，名称为“封闭充气管道中气体热效应对激光传输的影响”中采用稳相法求解光波传输方程，计算了激光束在封闭管道传输过程中热效应对光束质量的影响。再者，期刊《封闭管道中热耦合效应对激光传输的影响》，2013年7月，第25卷第7期，作者胡鹏等，名称为“封闭管道中热耦合效应对激光传输的影响”中建立了封闭竖直管道热耦合效应物理模型，采用流固耦合方法，数值模拟了封闭管道中介质气体、光学玻璃之间的热相互作用造成流场分布的变化，研究了热耦合作用对近场波前相差和远场光束质量的影响。上述技术方案均是对光通道的热效应仿真，但仅适用于单直通道等简单的光通道，且光束波前的计算算法复杂，因而不适用于复杂光路的仿真。
有鉴于此，有必要设计一种改进的高功率激光光束合成系统内通道热效应仿真方法，以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高功率激光光束合成系统内通道热效应仿真方法。
为实现上述发明目的，本发明提供了一种高功率激光光束合成系统内通道热效应仿真方法，所述高功率激光光束合成系统内通道热效应仿真方法包括如下步骤：
S1、依据光束合成系统光学设计结果与光机结构模型确定光束合成系统光传输内通道的基本三维结构，再将所属基本三维结构模型离散化为有限元模型；在加载激光束等效热源分布和设定边界条件情况下，利用所述有限元模型进行流体动力学仿真，得到光传输内通道有限元模型每个网格节点的温度以及密度场分布
Figure 705090DEST_PATH_IMAGE001
；然后，将所述密度场分布
Figure 825493DEST_PATH_IMAGE002
转换为折射率场分布
Figure 11754DEST_PATH_IMAGE003
；
S2、以各子光束光通道的光通道转折处为界将所述子光束光通道划分为多段直通道，以步骤S1中得到的所述折射率场分布
Figure 843182DEST_PATH_IMAGE004
计算各子光束内一定数量的光线通过每段变折射率直通道后引入的光程差，通过插值得到该段直通道引入的光程差分布，对各段直通道的光程差进行叠加，得到各子光束在出光口处的光程差和波前相位分布；
S3、利用步骤S2得到的所述各子光束在出光口处的光程差分布，计算所述各子光束的远场光斑；将所有所述子光束的远场光斑叠加，得到合成光束的远场光斑分布；再根据所述合成光束远场光斑分布计算合成光束的光束质量。
优选的，所述激光光束合成系统包括改变子光束的传播方向的光学器件和用于合成光束的衍射光学元件，光束合成过程中所述子光束在所述光学器件的作用下汇聚至所述衍射光学元件的表面，所述衍射光学元件再将所有所述子光束合成为一束。
优选的，在步骤S2中，所述密度场分布
Figure 391975DEST_PATH_IMAGE001
与折射率场分布
Figure 745596DEST_PATH_IMAGE005
之间的转换按照如下关系式进行：
Figure 419154DEST_PATH_IMAGE006
，
Figure 149212DEST_PATH_IMAGE007
是Gladstone Dale常数。
优选的，在步骤S2中，所述光程差的计算式为：
Figure 490195DEST_PATH_IMAGE008
，
Figure 217980DEST_PATH_IMAGE009
的计算式为：
Figure 769047DEST_PATH_IMAGE010
，
Figure 912583DEST_PATH_IMAGE011
表示光束在通道中的任意时刻的折射率分布，
Figure 170389DEST_PATH_IMAGE012
表示折射率分布未受扰动时的光程长度。
优选的，所述
Figure 396971DEST_PATH_IMAGE007
的具体计算式为：
Figure 543656DEST_PATH_IMAGE013
。
优选的，在步骤S3中，所述子光束的远场光斑计算公式为：
Figure 349938DEST_PATH_IMAGE014
，其中，λ为光波波长，f为焦距，
Figure 727830DEST_PATH_IMAGE015
为光程差分布。
优选的，在步骤S3中，所述合成光束的光束质量的具体计算式为：
Figure 266259DEST_PATH_IMAGE016
，其中，
Figure 136126DEST_PATH_IMAGE017
为实际远场光斑半径，
Figure 746099DEST_PATH_IMAGE018
为理想远场光斑半径。
优选的，在步骤S2中，所述光程差的计算在引入傍轴近似的情况进行。
优选的，在步骤S3中，采用环围能量方式定义实际远场光斑半径，所述实际远场光斑半径
Figure 916180DEST_PATH_IMAGE019
的具体计算式为：
Figure 953406DEST_PATH_IMAGE020
。
优选的，在步骤S3中，所述各子光束的远场光斑为根据所述光程差计算近场复振幅分布后，再对所述近场复振幅分布进行二维傅里叶变换计算得到。
本发明的有益效果是：
1、本发明提出的高功率激光光束合成系统内通道热效应仿真方法，通过先利用流体动力学的方法计算瞬态情况下流场的密度分布，并将流场的密度分布映射为折射率场分布后，以各子光束光路的光路转折处为界划分为多段直通道，对每段直通道引入傍轴近似，在不考虑光线对初始传播方向的偏离的情况下，分别计算各段直通道由于折射率分布不均引起的光程差，并对各段直通道的波像差进行叠加，得到各子光束在出光口处的波像差及波前相位分布，并进一步计算各子光束远场光斑分布，最终计算出合成光束的光束质量因子；上述过程实现了对高功率激光光束合成系统合成光束的远场光斑分布、光束质量的仿真，并能够根据质量因子的数值判断合成光束的质量，为光机结构的设计提供了理论基础。本发明中涉及到的各子光束的波像差仿真具有计算方法简单，仿真通道选取灵活的优点。
2、本发明提出的高功率激光光束合成系统内通道热效应仿真方法，通过在系统完成光机设计后对其内通道热效应的影响进行精确仿真，获得激光束波前畸变情况，基于上述结果可进一步对光机的结构进行调整，从而实现在光机的设计阶段有效提升光束质量的目的；本发明提出的仿真方法不仅能够满足任意合成技术路径、任意光路结构、任意多子光束路数光束合成系统输出光束的光束质量仿真，且适合于简单光通道和光路复杂的高功率激光合成系统，具有实用性强的优势。
附图说明
图1为本发明的高功率激光光束合成系统内通道热效应仿真方法的仿真计算流程图；
图2为实施例1中的光谱合成系统光路示意图；
图3为实施例2中基于DOE的相干合成系统光路示意图；
附图标记如下：
1、反射镜；2、衍射光栅；3、透镜；4、衍射光学元件。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
另外，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
请参阅图1，本发明提出了一种高功率激光光束合成系统内通道热效应仿真方法，激光光束合成系统包括改变光束的传播方向的光学器件和用于合成光束的衍射光学元件，光束合成过程中子光束在光学器件的作用下汇聚至衍射光学元件的表面，衍射光学元件再将所有子光束合成为一束。
具体地，对高功率激光光束合成系统内通道热效应的仿真方法，包括如下步骤：
S1、合成系统内通道三维变折射率场的构建：
首先依据光束合成系统光学设计结果与光机结构模型确定光束合成系统光传输内通道的基本三维结构，再将三维结构模型离散化为有限元模型；在加载激光束等效热源分布和设定边界条件情况下，利用有限元模型进行流体动力学仿真，得到光传输内通道有限元模型每个网格节点的温度以及密度场分布
Figure 809105DEST_PATH_IMAGE001
；然后，将内通道密度场分布
Figure 488348DEST_PATH_IMAGE001
转换为折射率场分布
Figure 575252DEST_PATH_IMAGE021
；
S2、合成系统各子光束在出光口处波像差分布的计算：
在步骤S1得到合成系统内通道折射率场分布
Figure 924325DEST_PATH_IMAGE021
后，针对每路子光束光通道，以光通道转折处为界划分为多段直通道；接着，引入傍轴近似，在不考虑光线对初始传播方向偏离的情况下，计算各子光束内一定数量的光线通过每段变折射率直通道后引入的光程差，通过插值得到该段直通道引入的光程差分布，对各段直通道的光程差进行叠加后，得到各子光束在出光口处的光程差和波前相位分布；
S3、合成光束的光束质量的计算：
利用傅里叶转换将步骤S2得到的各子光束在出光口处的波像差分布，转化为各子光束的远场光斑；将所有子光束的远场光斑叠加，即得到合成光束的远场光斑分布；再根据合成光束远场光斑分布计算合成光束的光束质量；需要说明的是，上述过程中的
Figure 565522DEST_PATH_IMAGE022
为空间坐标位置。
优选的，在步骤S1中，密度场分布
Figure 720560DEST_PATH_IMAGE001
与折射率场分布
Figure 989867DEST_PATH_IMAGE023
之间的转换洛伦兹-洛伦茨公式进行，洛伦兹-洛伦茨公式如下式：
Figure 509841DEST_PATH_IMAGE006
，其中，
Figure 169493DEST_PATH_IMAGE007
是Gladstone Dale常数，由光的波长λ确定，
Figure 924959DEST_PATH_IMAGE007
的具体计算式为：
Figure 885657DEST_PATH_IMAGE024
。
优选的，在步骤S2中，光程差的计算式为：
Figure 701166DEST_PATH_IMAGE025
，其中，
Figure 785796DEST_PATH_IMAGE026
表示各段直通道中沿光线路径
Figure 344954DEST_PATH_IMAGE027
从z1处传播到z2处的光程长度，
Figure 260957DEST_PATH_IMAGE028
表示空气密度分布未受扰动时的光程长度。
优选的，在步骤S2中，
Figure 857155DEST_PATH_IMAGE026
的计算式为：
Figure 553715DEST_PATH_IMAGE010
，其中，
Figure 526350DEST_PATH_IMAGE029
表示光束在通道中的任意时刻的折射率分布。
优选的，在步骤S3中，合成光束远场光斑分布采用环围能量方式定义实际远场光斑半径，进而计算合成光束的光束质量因子，子光束远场光斑的具体计算式为：
Figure 982346DEST_PATH_IMAGE030
，合成光束的光束质量的具体计算式为：
Figure 280604DEST_PATH_IMAGE016
，其中
Figure 448149DEST_PATH_IMAGE019
通过
Figure 83529DEST_PATH_IMAGE020
计算得到。
下面结合具体的实施例对本发明的高功率激光光束合成系统内通道热效应仿真方法作进一步说明:
实施例1
本实施例对反射式光谱合成系统光路进行内通道热效应仿真，反射式光谱合成系统光路的示意图如图2所示，光束合成的过程按照如下方式进行：具有一定光焦度的反射镜1将具有不同角度入射和波长的子光束汇聚在衍射光栅2的表面，衍射光栅2将所有子光束合成为一束，针对上述激光合成系统内通道的热效应仿真按照如下步骤进行：
S1、合成系统内通道三维变折射率场的构建：
首先依据光束合成系统光学设计结果与光机结构模型确定光束合成系统光传输内通道的基本三维结构，再将三维结构模型离散化为有限元模型；对光传输内通道有限元模型在加载激光束等效热源分布并设定边界条件情况下进行计算流体动力学仿真，得到光传输内通道有限元模型每个网格节点的温度以及密度场分布
Figure 646229DEST_PATH_IMAGE002
；然后，将内通道密度场分布
Figure 708863DEST_PATH_IMAGE001
转换为折射率场分布
Figure 989802DEST_PATH_IMAGE031
；其中，密度场分布
Figure 694453DEST_PATH_IMAGE001
与折射率场分布
Figure 22578DEST_PATH_IMAGE032
之间的转换按照如下关系式进行：
Figure 770960DEST_PATH_IMAGE006
，
Figure 70355DEST_PATH_IMAGE007
是Gladstone Dale常数，
Figure 719642DEST_PATH_IMAGE007
的具体计算式为：
Figure 958731DEST_PATH_IMAGE024
；
S2、合成系统各子光束在出光口处波像差分布的计算：
在步骤S1得到合成系统内通道折射率场分布
Figure 35272DEST_PATH_IMAGE032
后，针对每路子光束光通道，以光通道转折处为界划分为多段直通道；接着，引入傍轴近似，在不考虑光线对初始传播方向偏离的情况下，计算各子光束内一定数量的光线通过每段变折射率直通道后引入的光程差，通过插值得到该段直通道引入的光程差分布，对各段直通道的光程差进行叠加，得到各子光束在出光口处的光程差和波前相位分布；其中，光程差的计算式为：
Figure 556383DEST_PATH_IMAGE033
，
Figure 914421DEST_PATH_IMAGE026
的计算式为：
Figure 571798DEST_PATH_IMAGE034
，
Figure 350398DEST_PATH_IMAGE029
表示光束在通道中的任意时刻的折射率分布，
Figure 874919DEST_PATH_IMAGE035
表示空气密度分布未受扰动时的光程长度；
S3、合成光束光束质量的计算：
利用步骤S2得到的各子光束在出光口处的波像差分布，计算各子光束的远场光斑；将所有子光束的远场光斑叠加，得到合成光束的远场光斑分布；再根据合成光束远场光斑分布计算合成光束光束质量；其中，子光束的远场光斑计算式为：
Figure 131588DEST_PATH_IMAGE036
，合成光束的光束质量的具体计算式为：
Figure 112313DEST_PATH_IMAGE016
，其中
Figure 530656DEST_PATH_IMAGE019
通过
Figure 354256DEST_PATH_IMAGE037
计算得到。
实施例2
本实施例对透射式基于衍射光学元件的相干合成系统光路进行内通道热效应仿真，相干合成系统光路的示意图如图3所示，光束合成的过程按照如下方式进行：利用透镜3将具有不同入射角和波长相同的子光束汇聚在衍射光学元件4的表面，衍射光学元件4将所有子光束合成为一束；本实施例中针对上述激光合成系统内通道的热效应仿真方法与实施例1基本一致，在此不再赘述。
综上所述，本发明提出的高功率激光光束合成系统内通道热效应仿真方法，通过利用流体动力学的方法实现了高功率激光光束合成系统内通道热效应仿真，应用上述方法可对光机内通道热效应的影响进行精确仿真，以获得激光束波前畸变情况，进而采取相应措施对光束质量进行控制。通过上述方式提供了一种计算方法简单，且适用于简单光通道和光路复杂的非单一光通道的高功率激光合成系统。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种高功率激光光束合成系统内通道热效应仿真方法，其特征在于，所述高功率激光光束合成系统内通道热效应仿真方法包括如下步骤：
S1、依据光束合成系统光学设计结果与光机结构模型确定光束合成系统光传输内通道的基本三维结构，再将所属基本三维结构模型离散化为有限元模型；在加载激光束等效热源分布和设定边界条件情况下，利用所述有限元模型进行流体动力学仿真，得到光传输内通道有限元模型每个网格节点的温度以及密度场分布
Figure 897755DEST_PATH_IMAGE001
；然后，将所述密度场分布
Figure 795304DEST_PATH_IMAGE001
转换为折射率场分布
Figure 181286DEST_PATH_IMAGE002
；
S2、以各子光束光通道的光通道转折处为界将所述子光束光通道划分为多段直通道，以步骤S1中得到的所述折射率场分布
Figure 429864DEST_PATH_IMAGE002
计算各子光束内一定数量的光线通过每段变折射率直通道后引入的光程差，通过插值得到该段直通道引入的光程差分布，对各段直通道的光程差进行叠加，得到各子光束在出光口处的光程差和波前相位分布；
S3、利用步骤S2得到的所述各子光束在出光口处的光程差分布，计算所述各子光束的远场光斑；将所有所述子光束的远场光斑叠加，得到合成光束的远场光斑分布；再根据所述合成光束远场光斑分布计算合成光束的光束质量。
2.根据权利要求1所述的高功率激光光束合成系统内通道热效应仿真方法，其特征在于，所述激光光束合成系统包括改变子光束的传播方向的光学器件和用于合成光束的衍射光学元件，光束合成过程中所述子光束在所述光学器件的作用下汇聚至所述衍射光学元件的表面，所述衍射光学元件再将所有所述子光束合成为一束。
3.根据权利要求1所述的高功率激光光束合成系统内通道热效应仿真方法，其特征在于，在步骤S2中，所述密度场分布
Figure 464554DEST_PATH_IMAGE001
与折射率场分布
Figure 810085DEST_PATH_IMAGE002
之间的转换按照如下关系式进行：
Figure 304651DEST_PATH_IMAGE003
，
Figure 102843DEST_PATH_IMAGE004
是Gladstone Dale常数。
4.根据权利要求1所述的高功率激光光束合成系统内通道热效应仿真方法，其特征在于，在步骤S2中，所述光程差的计算式为：
Figure 708268DEST_PATH_IMAGE005
，
Figure 642726DEST_PATH_IMAGE006
的计算式为：
Figure 308193DEST_PATH_IMAGE007
，
Figure 593681DEST_PATH_IMAGE008
表示光束在通道中的任意时刻的折射率分布，
Figure 235753DEST_PATH_IMAGE009
表示折射率分布未受扰动时的光程长度。
5.根据权利要求3所述的高功率激光光束合成系统内通道热效应仿真方法，其特征在于，所述
Figure 24717DEST_PATH_IMAGE004
的具体计算式为：
Figure 126665DEST_PATH_IMAGE010
。
6.根据权利要求1所述的高功率激光光束合成系统内通道热效应仿真方法，其特征在于，在步骤S3中，所述子光束的远场光斑计算公式为：
Figure 633870DEST_PATH_IMAGE011
，其中，λ为光波波长，f为焦距，
Figure 581098DEST_PATH_IMAGE012
为光程差分布。
7.根据权利要求1所述的高功率激光光束合成系统内通道热效应仿真方法，其特征在于，在步骤S3中，所述合成光束的光束质量的具体计算式为：
Figure 958989DEST_PATH_IMAGE013
，其中，
Figure 825314DEST_PATH_IMAGE014
为实际远场光斑半径，
Figure 226340DEST_PATH_IMAGE015
为理想远场光斑半径。
8.根据权利要求1所述的高功率激光光束合成系统内通道热效应仿真方法，其特征在于，在步骤S2中，所述光程差的计算在引入傍轴近似的情况进行。
9.根据权利要求1所述的高功率激光光束合成系统内通道热效应仿真方法，其特征在于，在步骤S3中，采用环围能量方式定义实际远场光斑半径，所述实际远场光斑半径
Figure 836313DEST_PATH_IMAGE014
的具体计算式为：
Figure 68711DEST_PATH_IMAGE016
。
10.根据权利要求1所述的高功率激光光束合成系统内通道热效应仿真方法，其特征在于，在步骤S3中，所述各子光束的远场光斑为根据所述光程差计算近场复振幅分布后，再对所述近场复振幅分布进行二维傅里叶变换计算得到。
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