氧碘化学激光器中相位扰动的模拟研究

Fig.2 Near-fieldphasefordifferentshockwaves 图2 不同程度的斜激波对近场光束相位的影响
第6期
杜燕贻等:氧碘化学激光器中相位扰动的模拟研究
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分 布 ,图 3 给 出 了 在 弱 激 波 下 的 近 输 出 截 面 上 光 强 分 布 ,图 4 给 出 无 激 波 与 存 在 边 激 波 时 沿 气 流 中 心 线 方 向 的 近 场 光 强 分 布 。 可 以 看 到 ,尽 管 沿 气 流 方 向 的 介 质 不 均 匀 ,在 光 强 分 布 中 仍 然 能 够 看 到 激 波 的 影 响 ;边 激 波 (图 2(b))加强了谐振腔中心及下游区 的 强 度,同 时 使 相 位 图 形 的 边 沿 卷 曲,但 这 时 远 场 分 布 基 本 不 变;中 心 激 波 (图2(c))表明激波已进入环形光束的 中 心,边 包 的 位 置 对 应 于 激 波 的 位 置,近 场 光 强 分 布 中 激 波 较 高 的 折 射 率对应于光强的凹陷部位(腔内振荡),尽管边缘上翘,但相位分布依然比较光滑(激波中心 近 光 轴 变 化 较 大), 这 是 因 为 激 波 的 整 体 幅 度 较 小 。 因 而 可 以 设 想 对 于 某 些 激 波 效 应 ,可 以 通 过 设 计 镜 子 的 形 状 来 矫 正 激 波 扰 动 , 由 此 进 行 补 偿 。 激 波 中 心 近 光 轴 时 对 光 场 分 布 有 明 显 影 响 ,且 模 式 收 敛 困 难 。
平 面。从激光腔内输出的光束质量与这些激波在腔镜内的位置非常相关。为此我们考虑一种激波分布,即把介
* 收稿日期:2005-11-14; 修订日期:2006-03-10 基 金 项 目 :国 家 863 计 划 项 目 资 助 课 题 作 者 简 介 :杜 燕 贻 (1965- ),女 ,硕 士 ,副 研 ,从 事 激 光 物 理 研 究 ;du＿yanyi@mail.iapcm.ac.cn。
子来实现,即通过引入一个光 学 相 位 漂 移 来 计 算 激 波 效 应。 该 程 序 较 好 地 再 现 出 实 验 得 到 的 X 型 烧 蚀 光 斑 图 ,模 拟 结 果 与 实 验 结 果 相 符 ,为 实 验 结 果 的 分 析 和 改 善 提 供 了 理 论 依 据 。
1 理论分析
在超音速 COIL 装置 中,由 一 喷 管 阵 列 将 气 流 由 亚 音 速 加 速
摘 要: 建立了含相位扰动的1维流场3维物理光学负载光腔模型。选用折叠非稳腔,模拟计算 了 斜 激
波中心距光轴不同距离时以及不同强度的斜激波对腔内光场相位分布和输出功率的影响。研究表明激光输出
光束质量与腔内激波的分布位置和激波的强度有密切 关 系,应 该 避 免 激 波 中 心 近 光 轴 时 的 强 扰 动 效 应 引 起 的
Fig.6 Phase(a)andintensity(b)withdisturbanceonshockwaves 图6 有随机扰动时的相位和光强输出分布
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由 此 我 们 得 到 :激 光 光 腔 模 式 和 输 出 光 束 质 量 与 腔 内 激 波 的 分 布 位 置 有 密 切 关 系 ,近 场 光 束 均 匀 性 与 光 腔 内 抽 运 的 均 匀 性 有 很 大 关 系 ,而 相 位 的 扰 动 对 远 场 光 束 质 量 起 决 定 作 用 。
影 响 程 度 ,如30º激 波 相 当 于 马 赫 数 为2 的 气 流 。 当 激 波 的 中 心 远 离 光 腔 轴 时 ,我 们 可 以 定 义 为 边 激 波 效 应 ,即
激波只对输出光束的边缘有影响,例如当x0=-8cm 时,激波中心仅在大镜边缘0.5cm 处。当x0 减少,激波 中心向光轴靠近,接近小镜和大镜的中间位置,即接近 环形光斑的中心处,我们就 称 之 为 中 心 激 波 效 应。 如 当
Fig.3 Intensitydistributionwithweakshockwaves
Fig.4 Intensitydistributionalongflowcenterline
图3 弱激波下的近输出截面上光强分布
图4 有无激波时沿气流方向中心线的近场光强
远场计算显示出了由激波引起的对称性。图5给 出了近光轴激波与无激波 的 远 场 分 布 对 比。 可 见,远 场
因 子 来 实 现 ,即 可 通 过 引 入 一 个 光 学 相 位 漂 移 来 计 算 激 波 效 应
Ф(x,y)=Ф0[exp(-Δ2+ /Δ20)+exp(-Δ2- /Δ20)]
(3)
一般Δ0 取大镜直径的1/20～1/10,总光学相位漂移Ф0 最大设为 π/2;θ角度可以调整,以计算不同激波的
第18卷 第6期 2006 年 6 月
强激光与粒子束
HIGH POWER LASER AND PARTICLE BEAMS
Vol.18,No.6 Jun.,2006
文章编号: 1001-4322(2006)06-0903-05
氧碘化学激光器中相位扰动的模拟研究*
杜燕贻, 束小建, 李守先
(北京应用物理与计算数学研究所,北京 100088)
3 模拟与实验的比较
实 验 模 拟 计 算 认 为 激 波 中 心 扰 动 通 过 光 轴 ,每 一 个 激 波 与 流 动 方 向 的 夹 角 为θ,且 可 以 根 据 不 同 的 要 求 变 化 ,最 大 不 超 过 45º。
首 先 模 拟 两 种 不 同 扰 动 下 的 强 度 分 布 。给 出 两 种 扰 动 情 况 :(1)Δ0=0.1,Ф0=1.0,θ=30º;(2)Δ0=0.05, Ф0=0.7,θ=40º,其 中 扰 动 1 中 的 总 体 相 位 扰 动 大 于 扰 动 2,此 时 的 光 腔 参 数 和 气 动 参 数 按 实 验 情 况 选 取 。
y =± (x-x0)tanθ
(1)
从腔内任一点(x,y)到方程(1)所给的两个激波的垂直距离Δ+ 和Δ- 分别为
Δ± (x,y)=sinθ|(x-x0)"ycotθ|
(2)
设每一个激波的折射率的形状为Δ± 的高斯函数,半宽度为Δ0,如果每一个激波在单 向 通 过 谐 振 腔 时 在 其
中心处给出一个总光学相位漂移Ф0,气流扰动引起光学谐 振 腔 内 发 生 的 密 度 扰 动 就 可 以 通 过 附 加 上 一 个 相 位
到超音速,到达光腔入 口 处。 如 果 光 腔 的 扩 张 角 与 光 腔 的 淬 灭 反
应不匹配,由腔内淬灭反 应 产 生 的 废 热 将 导 致 超 音 速 流 动 在 扩 张
不充分的管道内产生 斜 激 波,严 重 时 会 产 生 正 激 波。 光 腔 内 激 波
Fig.1 Typicalshockwaveeffectand
机理,根据其与相位变化的关系,直接将扰动效应表述为光腔中存在的相应的相位分 布 形 式,由 此 建 立 了 有 相
位扰动效应的3维光腔模型 UROSIS-2。该模型 考 虑 了 三 种 相 位 扰 动 效 应,这 里 主 要 讨 论 斜 激 波 引 起 的 相 位 扰动效应。总体思路是将超音速气流下斜激波效应引起的光学谐振腔内发生的密度扰动通过附加一个相位因
析对输出光束的影响,结果见图6,这时在 较 弱 激 波 的 情 况 下 仍 能 得 到 相 对 稳 定 的 分 布。 比 较 得 到:当 扰 动 较 小 时 ,远 场 光 束 质 量 好 ;当 扰 动 增 大 ,总 光 学 相 位 漂 移Ф0 #π/2 时 ,计 算 误 差 较 大 。
Fig.5 Far-fieldintensitywithandwithoutshockwaves 图5 有无激波时的远场光强
光束质量退变。实验装置的计算结果再现了实验现象。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ关键词: 相位扰动; 斜激波; 折叠非稳腔; 氧碘化学激光器
中图分类号: TN248;O437
文献标识码: A
氧碘化学激光器(COIL)是一种 电 子 态 跃 迁 激 光 器,存 储 在 亚 稳 激 发 态 氧 气 中 的 能 量 被 共 振 传 能 到 原 子 碘,激发态碘原子受激辐射产生波长为1.315µm 的激光。COIL 具有波长短、增益低、菲涅耳数大的特性和高 功 率 、高 质 量 输 出 的 要 求 ,为 非 稳 光 学 谐 振 腔 的 采 用 提 供 了 充 分 的 依 据 。 非 稳 腔 可 以 使 最 初 在 共 振 腔 中 心 附 近
发 生 的 辐 射 充 满 整 个 激 光 介 质 ,而 其 相 位 控 制 发 生 在 共 振 腔 中 心 部 分 ,故 能 保 持 低 阶 模 (单 模 )运 转 和 高 质 量 的
输出光束。国外将非稳腔用于 COIL 装置中,实 验 上 已 获 得 MW 级 的 输 出 功 率;国 内 实 验 也 取 得 了 突 破 性 进 展,相对而言理论研究报道较少。T.T.Yang[1]等 人 利 用 一 个 内 含 屋 脊 镜 的 稳 定 谐 振 腔 的 几 何 光 学 模 型 计 算 了 COIL 的输出特性,A.Bhowmik[2]等提出了利用负支非稳腔光学负载模型计算 COIL 的光束质量。
对输出光束的影响最终体现在折射率变化对传输光束的相位扰动
variationofrefractiveindex
上。根据 ArthurN.Chester的 理 论[6],激 波 如 图 1 所 示,图 中n0
图1 典型的激波效应和折射率变化
是折射率基数,ε是折射率的变化。典型 激 波 波 形 在 平 行 于 光 轴 的 激 光 腔 内 表 现 为 组 成 了 一 个 高 折 射 率 的 窄
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质分成折射率可变化的几个部分,这样,当光束通过介质传输时,其光程差在光束横截 面 上 有 一 个 合 成 相 位 畸
变。较高折射率的狭窄面位于激光腔内平行于光轴的位置。
我们的目的是设法从理论上描述激波对光束的影响。通常考虑一个 X 型的激波图形,设坐标原点在腔中
心处,x 坐标与气流方向相反,y 坐标与光轴和流动方向垂直,x0 是 X 形激波的 中 心 坐 标,θ 是 每 一 个 激 波 与 流 动方向的夹角。激波平面遵守方程
文献[3-4]对非稳腔的传输机制进行了较深入的探讨,已经编制出的3维非稳光腔传输模型 UROSIS-1 主 要 模 拟 光 腔 内 介 质 非 均 匀 性 对 近 场 强 度 和 输 出 功 率 的 影 响 。 一 般 而 言 ,相 位 扰 动 是 由 两 种 情 况 造 成 的 :增 益 介
质的气体密度扰动和个别组分浓 度 由 于 混 合 和 反 应 引 起 的 变 化。 通 常 有 关 系 式 Δφ(x,y)= (1/λ)∫βmρdS,这 里 Δφ 是相位变化,ρ 指介质密度,βm=Σxi(βi/ρi,ref)为 归 一 化 Gladstone-Dale 常 数,xi 为 组 分 物 质 的 量,ρref是 标准状态下的参考密度。气动流体力学已经证明了在高功率气体激光器粘性气体超音速流中存在激波效应。 由此可见,精确的相位分布需用3维流体动力学 模 型 来 计 算[2],但 目 前 看 来 还 有 些 困 难。 本 文 在 文 献 [3-4]的 基础上着重考虑光腔内的相位扰动效应。从实际装置的 气 动 特 性 出 发[5],分 析 其 主 要 的 宏 观 扰 动 现 象 和 产 生
x0=-5cm 时,激波中心仅在大镜边缘2.5cm 处;x0=0表明激波穿过光轴,这时很难得到一个谐振腔的平衡 态场分布。
2 计算与分析
我们选用折叠非稳腔[4],模拟计算了斜激波中心距光 轴 不 同 距 离 时 以 及 不 同 强 度 的 斜 激 波 对 腔 内 光 场 相 位分 布和输出功率的影响。图2(a)～(d)分 别 是 无 激 波 、有 边 激 波 和 中 心 激 波 、激 波 中 心 近 光 轴 时 的 近 场 相 位
分 布 在 垂 直 于 气 流 方 向 上 有 几 倍 的 展 宽 ,远 场 图 形 已 被 打 碎 成 对 称 的 3 个 光 斑 ,远 场 分 布 的 对 称 性 表 明 激 波 引
起 像 散 。 由 于 气 流 的 抖 动 ,实 际 激 波 的 大 小 也 有 变 化 。 我 们 在 上 述 激 波 分 布 基 础 上 随 机 加 入 一 个 微 小 扰 动 ,分