【摘要】：氣體透鏡是通過控制氣體溫度分布變化即控制折射率分布的變化,來獲取類似于傳統(tǒng)玻璃透鏡拋物線型的相位延遲分布,進而激光束穿過氣體透鏡后產(chǎn)生近似球面的波前,達到發(fā)散或聚焦的效果。氣體透鏡相較于傳統(tǒng)的玻璃透鏡具有較高的損傷閾值,激光束通過性穩(wěn)定優(yōu)良,使用壽命長,安全經(jīng)濟實惠,且其散射可以忽略不計,將來可能取代玻璃透鏡用來控制高功率、高通量激光束。本文以設(shè)計一個氣體負(fù)透鏡裝置替代玻璃負(fù)透鏡光學(xué)元件為研究背景,從兩方面進行了研究。首先,利用有限元方法模擬了氣體負(fù)透鏡內(nèi)的溫度、密度、折射率分布形態(tài)的數(shù)值解,研究了影響氣體負(fù)透鏡等效焦距的關(guān)鍵性能參數(shù);另外,從實驗上驗證了氣體負(fù)透鏡對激光束的發(fā)散效果,推導(dǎo)了其等效焦距,實驗現(xiàn)象基本符合理論分析。該研究有利于正確理解氣體透鏡的原理,擬對氣體透鏡的設(shè)計優(yōu)化提供參考依據(jù),及將來代替玻璃透鏡的應(yīng)用提供一定的指導(dǎo)。主要研究內(nèi)容和研究結(jié)果包括以下幾個方面:(1)利用有限元軟件構(gòu)建了氣體負(fù)透鏡的三維模型,模擬得到了氣體負(fù)透鏡內(nèi)的溫度、密度、折射率分布形態(tài)的數(shù)值解。結(jié)果表明,溫度或密度分布關(guān)于中心軸旋轉(zhuǎn)對稱,等溫面或等密度面為圍繞光軸的一系列同心圓柱面;近似條件下,橫截面內(nèi)折射率分布與徑向位置滿足拋物線型關(guān)系;通過數(shù)值積分獲得了徑向梯度折射率引起的軸向光傳播的相位延遲分布,對相位延遲分布通過最小二乘法進行擬合,擬合結(jié)果表明符合拋物線函數(shù)形式。(2)基于相位延遲分布曲率獲得了氣體負(fù)透鏡的等效焦距。理論模擬了氣體負(fù)透鏡的結(jié)構(gòu)長度、熱氣流溫度和軸向流速、冷卻液溫度及熱傳導(dǎo)系數(shù)等影響等效焦距的關(guān)鍵性能參數(shù)。結(jié)果表明:a).結(jié)構(gòu)長度越短,等效焦距越大,原因為熱氣流在非常短的管內(nèi)所形成的溫度梯度很小,導(dǎo)致熱透鏡效應(yīng)減弱;但當(dāng)結(jié)構(gòu)長度增加到一定值,其等效焦距基本保持恒定。b).隨著充入氣體負(fù)透鏡的熱氣流溫度和軸向流速的增加,等效焦距總體呈減小的趨勢;當(dāng)熱氣流軸向流速從0增加到10m/s時,等效焦距急速減小,當(dāng)軸向流速超過20m/s時,等效焦距愈來愈趨近于平和。c).通過改善氣體負(fù)透鏡的熱交換條件,例如增加循環(huán)冷卻液在氣體負(fù)透鏡管道外壁的流速,或降低冷卻液溫度,將導(dǎo)致熱透鏡效應(yīng)增強,相應(yīng)的等效焦距減小。(3)利用CCD法測量平行激光束通過氣體負(fù)透鏡前后的光斑尺寸發(fā)散程度,借助光學(xué)傳輸矩陣和q參數(shù)的ABCD法則,根據(jù)物方與像方高斯光束之間的透鏡變換關(guān)系,推導(dǎo)其等效焦距。實驗現(xiàn)象基本符合理論分析,并對氣體負(fù)透鏡應(yīng)用于超高強度平行激光束產(chǎn)生裝置進行了概述。
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TH74
【圖文】：

電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文統(tǒng)的玻璃透鏡不可避免地產(chǎn)生球差，原因在于傳統(tǒng)的度得到球面曲面[4]。例如聚焦透鏡，中間厚兩邊薄，與距相對比，通過邊緣的焦距較短，導(dǎo)致聚焦光束擴大增加，激光光束通量密度降低。必要引入本文所述的氣體透鏡概念。氣體透鏡的梯度界中普遍存在，例如圖 1-1 所示的海平面上的海市蜃樓大氣存在明顯的溫度梯度，進而使大氣的密度自上而射率隨海拔高度的變化而變化。同理，機場跑道的可神泉現(xiàn)象，太陽的日出與日落時形狀大小變化，都與勻變化有很大關(guān)系。一般在大氣中，由溫度或者密度海（地）平面垂直，因此大氣的折射率沿著海（地）化。

發(fā)散或負(fù)透鏡，起發(fā)散或擴散光束它是借助于控制氣體溫度分布的變線型的相位延遲分布，同樣達到發(fā)散概述GRIN)是非均勻折射率透鏡，又稱漸，是由具有梯度折射率的材料或介遵循一定的規(guī)律變化，用于描述非研究的梯度折射率透鏡大致分類為以折射率透鏡，它的折射率沿光軸呈其原理如圖 2-1 所示[43]，此介質(zhì)的折 2 000102N zNNzNz或者材料介質(zhì)表面折射率小于內(nèi)部率梯度。

當(dāng)省略掉 r4以上的高階項，保留 r2以下的項，則公 2021n r n ar心軸的徑向距離，a 為折射率梯度分布參數(shù)，0n 為中率介質(zhì)一般經(jīng)常使用的類型分別為漸變型和階躍型，a)、(b)所示。圖 2-2 徑向梯度折射率透鏡

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本文編號：2790530