反射镜热畸变对高能激光系统输出光束质量的影响

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1、第7卷第3期光学与光电技术Vo1．7，No．32009年6月OPTICS&OPTOELECTRONICTECHNOLOGYJune，2009文章编号：1672-3392(2009)03—0012—04反射镜热畸变对高能激光系统输出光束质量的影响饶鹏刘文广华卫红(国防科学技术大学光电科学与工程学院，湖南长沙410073)摘要高能激光系统中，反射镜镜面热变形会使系统的输出光强和波前分布不均匀性加剧，从而导致输出光束质量的下降。建立了复杂镜面光线追迹的模型，使用Fresnel衍射公式和光线追迹的方法，研

2、究了高能激光系统内通道不同数量22．5。反射镜对输出光束质量的影响。该方法和部分结果对高能激光系统激光器的优化设计，激光内通道冷却方式以及自适应光学校正能力设计参数的选取具有一定的参考价值。关键词激光技术；高能激光；热变形；光束质量中图分类号TN249文献标识码A输后的波前相位分布，进一步计算出对应的波前相1引言位PV值，从而得到不同反射镜组合下光束质量的连续波高能化学激光系统中，激光器输出的是变化。图1给出了四种22．5。反射镜组合及其光中空的矩形光斑。反射镜受到高能激光的照射，会路，垂直光束传

3、输方向的为观察面。产生热畸变，导致反射光波前发生畸变，输出光束质量下降。因此开展镜面热变形对光束传输特性影响的研究可以为高能激光系统的优化设计和自(a)(b)(c)(d)适应光学系统校正范围指标的制定提供参考。图1四种22．5。反射镜组合及其光路Fig．1Lightpathandcompositionforfour目前，国内外已经对高能激光辐照下不同基质kindsof22．5。mirrors材料镜面热变形特性及其对光束质量的影响开展了较为广泛的实验研究和数值模拟_1。这些工作入射激光束横截面为矩形

4、中空，外尺寸为40对于认识热变形及其对光束质量的影响具有很好mmX40mm，内尺寸为12．8mm×12．8mm。其的参考价值。余参数如下：1)光束为平行光束，波长3．8m；本文研究了在高能化学激光器输出的中空矩2)镜面半径90mm，各个镜面热变形相同，最大变形激光辐照下，高能激光系统内通道不同数量形量0．96m，镜面变形如图2所示。22．5。反射镜镜面的热变形对输出光束质量的影1OOm0875响，建立了复杂镜面的光线追迹模型，使用光线追0750迹方法和Fresnel衍射积分公式计算了光束经过062

5、50500不同数量的22．5。反射镜反射后的波前分布及其0385PV值，并与光束近距离传输的几何光学计算和镜0250面无畸变条件下物理光学计算结果进行了比较。0l2502物理模型及计算图2镜面热变形分布图Fig．2Distributionofmirrordistortion2．1物理模型下面通过计算激光束经过四种反射镜组合传镜面归一化后用Zernike多项式表示为h(r，收稿日期2008—07—18；收到修改稿日期2008—09—03作者简介饶鹏(1983一)，男，硕士研究生，主要从事光学仿真方面

6、的研究。E-mail：rosepoem@163．corn第3期饶鹏等：反射镜热畸变对高能激光系统输出光束质量的影响13)一∑口*(r，)，Z(r，)是第i阶Zernike多【项式在极坐标(r，)处的值，多项式共取65阶；3)相邻镜面中心间距2m。本文中所使用的光路，光束宽度远小于空间传输距离，满足Fresnel衍射积分使用条件，可以使用Fresnel衍射积分公式计算光束传输。图4参考面选取U1()一-0'UO()eXp{j(z+Fig．4Selectedreferencesurfaces。∑高能激

7、光系统内光路光束传输计算过程可以(一叩)]}d~dr](1)用图5来表示。由Fresnel衍射积分公式可以得其中，U。代表入射光的复振幅，U代表接收面上到参考面∑上均匀分布的点上的光强和相位分的光场的复振幅，L为传输距离。布，两个参考面之间可以由光线追迹方法得到一个由式(1)可知，要计算接收面上任一点(-z—。，—。)的复振幅，就要进行一次二重积分，导致相位因子，∑上的相位分布乘以相位因子，就得计算量过大而无法计算。到了。上相应点处的相位分布。因为距离很短，根据式(1)的特点和数学公式：可以认为两

8、个参考面上相对应的点处的光强相同，F{fg}=-F{f)·F{g)(2)这样就能得到∑，上各点处的光强和相位分布。将式(1)变形为由于镜面畸变，∑，上的点的分布不再均匀，不便U。(，)一e*--F{FlU1(1z，)]·于进行下一步的计算。使用插值算法，就可以得到F[exp[j鲁(z+)]]}(3)。上均匀分布点的光强和相位分布。式(3)中的Fourier变换在计算时使用快速『激光器输出光场1分布、离散化Fourier变换的方法。J2．2复杂镜面反射的光线追迹方法Fresnel衍射