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激光合束光学系统气体热效应影响分析

兰硕 李新南 徐晨

兰硕, 李新南, 徐晨. 激光合束光学系统气体热效应影响分析[J]. 中国光学, 2018, 11(1): 108-114. doi: 10.3788/CO.20181101.0108
引用本文: 兰硕, 李新南, 徐晨. 激光合束光学系统气体热效应影响分析[J]. 中国光学, 2018, 11(1): 108-114. doi: 10.3788/CO.20181101.0108
LAN Shuo, LI Xin-nan, XU Chen. Influence of gas thermal effect on beam combination system[J]. Chinese Optics, 2018, 11(1): 108-114. doi: 10.3788/CO.20181101.0108
Citation: LAN Shuo, LI Xin-nan, XU Chen. Influence of gas thermal effect on beam combination system[J]. Chinese Optics, 2018, 11(1): 108-114. doi: 10.3788/CO.20181101.0108

激光合束光学系统气体热效应影响分析

doi: 10.3788/CO.20181101.0108
详细信息
    作者简介:

    兰硕(1987—), 女, 黑龙江佳木斯人, 博士研究生, 工程师, 2011年于哈尔滨工业大学获得硕士学位, 主要从事激光光学系统设计加工检测及热效应分析方面的研究。E-mail:slan@niaot.ac.cn

    李新南(1963—),男,江苏苏州人,硕士,研究员,博士生导师,1983年于华东工程学院获得学士学位,1991年于紫金山天文台获得硕士学位,1999年1~6月,美国亚历桑那大学访问学者,主要从事大口径光学技术应用方面的研究。E-mail: xnli@niaot.ac.cn

  • 中图分类号: TN012

Influence of gas thermal effect on beam combination system

More Information
  • 摘要: 为了分析激光合束光学系统的成像质量,本文研究了激光合束光学系统的热耦合效应。借助光学设计软件建立激光合束系统模型,基于传热学理论,根据光学系统结构及流场条件参数建立气体流体模型。根据光线追迹法编写用户自定义函数,通过数值模拟定量研究了介质气体热效应引起的波像差系数。仿真分析了气体热效应在不同时间下对激光合束光学系统的影响。结果表明,受重力影响激光合束系统热效应的旋转对称性变得不再明显,随着温度升高呈现分层变化,且非均匀热效应以低阶像差为主。将波像差系数导入光学设计软件,可实现复杂光场与热场耦合传函的定量分析,波像差劣化0.3λ,传递函数下降0.1。
  • 图  1  光学模型

    Figure  1.  Optical model

    图  2  不同位置处光学系统出瞳波相差

    Figure  2.  Wavefront map at exit pupil of optical system in different position

    图  3  流体模型(a)和光线追迹模型(b)

    Figure  3.  Fluid model(a) and ray trace model(b)

    图  4  5 s条件下气体相位分布(a)和泽尼克系数(b)

    Figure  4.  Phase distribution(a) and Zernike coefficient(b) under radiation for 5 s

    图  5  60 s条件下气体相位分布(a)及泽尼克系数(b)

    Figure  5.  Phase distribution(a) and Zernike coefficient(b) under radiation for 60 s

    图  6  不同位置处光学系统出瞳波像差

    Figure  6.  Pupil map of optical system in different position

    表  1  标准状态下介质气体参数

    Table  1.   Parameters of gas medium in standard state

    Parameters Value
    Density ρ/(kg·m-3) 1.250 6
    Thermal conductivity λ/[W/(m·K)] 0.026
    Thermal expansivity αT/[1/K] 0.003 356
    Capacity Cp/[J/(kg·K)] 1 040.67
    Refractive index n0 1.000 279 3
    Thermal refractive index coefficient nT/[1/K] -0.929×10-6
    Absorption coefficient α/[1/m] 1×10-5[6]
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    表  2  光学结构及流场条件参数

    Table  2.   Parameters of optical structure and fluid field

    Parameters Value
    Single channel heat flux Q/[w/m2] 200
    Operating pressure P0/Pa 101 325
    Entrance pupil diameter D/mm 800
    Single channel EPD Dsingle/mm 200
    Optical path difference OPD/mm 1 000
    Gravity acceleration g/[m/s2] 9.8
    Wavelength λ/nm 1 060
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    表  3  光学传递函数(60 lp/mm)

    Table  3.   Optical Diffraction MTF(60 lp/mm)

    Position 1 Position 2 Position 3 Position 4 Position 5 Position 6
    0 s Focus Position 0.412 0.407 0.407 0.407 0.407 0.412
    5 s Focus Position 0.411 0.405 0.391 0.410 0.402 0.398
    60 s Focus Position 0.410 0.339 0.359 0.349 0.375 0.286
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出版历程
  • 收稿日期:  2017-09-11
  • 修回日期:  2017-11-12
  • 刊出日期:  2018-02-01

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