高功率激光装置光学元件“缺陷”分布与光束近场质量统计规律研究

摘要

光学元件上微米到毫米量级的灰尘、杂质、划痕、麻点以及亚表面缺陷等“缺陷”是影响高功率激光装置输出性能、制约负载能力提升的“瓶颈”因素。明确“缺陷”分布的表征参量，建立表征参量与装置输出光束近场质量之间的定量关系，并获得光学元件“缺陷”分布指标的分解方法，是目前高功率激光装置负载问题研究中的当务之急。基于上述需求，本论文主要进行了以下几方面的工作:
　　一、定性研究了“缺陷”分布与光束近场质量的空域统计关系:建立了“缺陷”分布空域统计模型，抽象出两个重要的统计参量——“缺陷”总密度和分布幂指数;理论研究了光束近场强度分布的统计性质，得到了统计特征参量——强度平均值和强度对比度;数值分析了线性和非线性传输时“缺陷”分布的空域参量与光束近场质量的关系。结果表明，“缺陷”总密度的增加、分布幂指数的减小都会使近场强度对比度增加，近场质量变坏。
　　二、明确了“缺陷”分布频域统计性质的表征参量——功率谱密度(Power SpectralDensity，简写为PSD);研究了“缺陷”分布PSD的系综平均，并基于“缺陷”分布空域模型研究了“缺陷”分布PSD系综平均与空域统计参量的关系。
　　三、定量研究了“缺陷”分布与光束近场质量的频域统计关系:基于光传输理论，建立了弱调制假设下单一位置及多个位置“缺陷”分布的PSD与近场归一化强度调制PSD的理论关系，验证并讨论了不同传输条件时（线性介质、非线性介质、空间滤波器以及级联介质传输等）二者的具体关系。结果表明，弱调制下，传输后的近场归一化强度调制PSD与引起调制的“缺陷”分布PSD通过系统的传输因子联系，传输因子与系统的构型和运行状态相关。以原型装置助推段为例，基于传输因子研究了不同运行光强下“缺陷”分布对输出近场质量的影响规律。
　　四、探索了基于传输因子的光学元件“缺陷”分布指标分解方法。以原型装置为例，分解了系统关键部位的“缺陷”分布PSD指标。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 论文研究背景

1．2 光学元件“缺陷”分布与光束质量关系的研究方法

1．3 国内外研究现状

1．4 本论文的研究思路及主要内容

第二章 光学元件“缺陷”分布的统计特性研究

2．1 “缺陷”分布的空域统计模型

2．1．1 “缺陷”分布的静态统计模型

2．1．2 “缺陷”分布的动态统计模型

2．2 “缺陷”分布的频域统计性质

2．2．1 频域表征参量

2．2．2 “缺陷”分布PSD的系综平均

2．3 “缺陷”分布PSD与空域参量的关系

2．3．1 “缺陷”分布PSD与总密度的关系

2．3．2 “缺陷”分布PSD与分布幂指数的关系

2．4 小结

第三章 光学元件“缺陷”分布与光束近场质量的空域统计关系

3．1 激光脉冲近场分布的空域统计性质

3．1．1 激光脉冲近场分布概率密度函数

3．1．2 激光装置实验近场强度的统计分布

3．2 “缺陷”分布与光束近场质量的空域统计关系

3．2．1 线性介质中的空域关系

3．2．2 非线性介质中的空域关系

3．2．3 小结

3．3 小结

第四章 光学元件“缺陷”分布与光束近场质量的频域统计关系

4．1 “缺陷”分布与光束近场质量的频域理论关系

4．2 频域理论关系的验证与讨论

4．2．1 线性介质

4．2．2 非线性介质

4．2．3 空间滤波器

4．2．4 级联介质

4．2．5 系统多个位置存在“缺陷”分布的情况

4．3 原型装置助推段“缺陷”分布对输出近场质量的频域影响规律

4．4 小结

第五章 光学元件“缺陷”分布指标分解

5．1 光学元件“缺陷”分布指标分解思路

5．2 光学元件“缺陷”分布指标分解示例

5．2．1 原型装置简化模型

5．2．2 指标分解结果

5．3 小结

第六章 总结

致谢

参考文献

附录 攻读硕士学位期间发表论文及参加学术活动情况