【摘要】：高功率大口徑激光發(fā)射系統(tǒng)是各國在工業(yè)及軍事等領(lǐng)域研究的熱點前沿問題。為了滿足光電設(shè)備的使用需求,本文提出一種多波段高功率激光合束發(fā)射方法,集跟蹤發(fā)射于一個系統(tǒng),各波段激光進行非相干合束后共口徑發(fā)射,系統(tǒng)體積小,結(jié)構(gòu)簡單,機動性能良好,可適應(yīng)不同環(huán)境下的使用要求,是一種新型的激光發(fā)射方法。在高功率激光系統(tǒng)中,光學(xué)元件產(chǎn)生的熱效應(yīng)將導(dǎo)致輸出激光光束質(zhì)量下降,利用有限元軟件和Matlab軟件作為工具,采用光機熱一體化分析流程,圍繞合束系統(tǒng)激光熱效應(yīng)、環(huán)境溫度熱沖擊和遠(yuǎn)場光束質(zhì)量評價等方面展開了研究在合束系統(tǒng)設(shè)計階段,首先對不同的非相干合束方法進行研究,確定了采用波段合束方法對三個波段激光進行合束,合束鏡的基底材料選擇優(yōu)良的紅外光學(xué)材料Zn Se。其次推導(dǎo)了激光遠(yuǎn)場重合效率公式以及激光遠(yuǎn)場覆蓋目標(biāo)公式,并利用Zemax軟件結(jié)合重合效率公式對合束光路進行了仿真,對合束系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)的選擇提供了支持。最后,介紹了與合束系統(tǒng)配套的光路監(jiān)測和校正系統(tǒng),并對合束鏡的幾何參數(shù)和合束系統(tǒng)機械機構(gòu)進行了設(shè)計分析。參與合束的紅外材料Zn Se屬于對熱較敏感材料,Zn Se材料合束鏡不僅有面型畸變同時還存在溫差產(chǎn)生的折射率梯度變化,所以利用光機熱一體化分析方法對合束鏡和合束系統(tǒng)進行了熱光學(xué)分析。首先建立了不同工況下合束鏡的溫升和結(jié)構(gòu)分析模型,利用有限元法計算了在不同邊界條件和不同工況下的溫度場分布以及熱變形,計算了對流換熱系數(shù)和鏡架熱傳導(dǎo)對計算結(jié)果的影響,并對不同光斑尺寸和不同合束鏡厚度對熱畸變產(chǎn)生的影響進行了仿真計算,總結(jié)了合束鏡的熱畸變規(guī)律。其次對實際應(yīng)用中的合束系統(tǒng)進行了熱光學(xué)分析,對激光偏置造成的波前畸變進行了具體分析,計算了在激光運行90s時間內(nèi)的各波段激光波前畸變,并對不同環(huán)境溫度對激光遠(yuǎn)場光束質(zhì)量的影響進行了仿真計算。最后,提出了針對合束系統(tǒng)的溫控措施,該方法可以在激光器運行間歇將沉積的熱量帶走。建立了激光輻照熱效應(yīng)實驗平臺和激光遠(yuǎn)場功率測試平臺,對合束鏡的激光輻照熱效應(yīng)進行測試。結(jié)果顯示,熱效應(yīng)實驗得到的結(jié)果與仿真計算的結(jié)果基本吻合。針對高功率激光系統(tǒng)難以測試的問題,可以利用仿真計算并結(jié)合低功率激光作為替代光源對高功率激光熱效應(yīng)進行驗證。搭建激光遠(yuǎn)場實驗平臺,利用熱成像儀-功率計的方法測試激光系統(tǒng)熱效應(yīng)對遠(yuǎn)場激光的影響,可以看到熱效應(yīng)造成了遠(yuǎn)場激光功率下降,但測試數(shù)據(jù)波動較大,仍需進一步消除測量誤差。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院研究生院(長春光學(xué)精密機械與物理研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TN249

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