基于LED的多束激光功率合成

论文摘要

随着激光技术在医疗、军事等领域的广泛应用,人们对激光的输出功率和质量要求也在变高,由于受非线性效应以及热损耗的影响,单个激光器的输出功率受到了限制,因此提出了多路激光功率相干合成方案。然而激光的高额成本以及使用时产生的巨大热量等因素使得激光无法被普及,而LED与激光相比,不仅价格便宜,而且体积更小、热量更低、寿命更长以及与光纤耦合更加兼容。因此,本文对基于LED的多路激光功率合成技术进行了研究分析,主要内容如下:首先,对非成像光学理论和折反射定理进行了概述,通过证明光学扩展量的守恒性得出了两个重要结论,以及分析了边缘光线原理在设计自由曲面中的应用,得出边缘光线原理可以大大降低光学设计的难度,同时对光学量与辐射量等基本参数进行了分析,并建立了两者之间的关系。其次,针对LED光源发光特性,设计了反光杯和全反射透镜两种准直器来对LED光线进行准直,并在TracePro软件下建模进行光线追迹仿真,通过辐照度分析图得出全反射透镜的评价函数值高于反光杯的,即全反射透镜更有利于光线的准直。为了实现高效合成,设计了基于透镜的光纤耦合系统,并针对基于球透镜和基于自聚焦两种情况分别进行了模拟仿真,通过观察系统的耦合效率图得出基于自聚焦透镜的耦合效率高于基于球透镜。最后,分析了光束质量的几个重要指标,得出BPF因子最适合作为评估相干合成光束质量的指标,并通过BPF因子对影响合成光束质量的主要因素进行了讨论。对分孔径相干合成技术方案进行了理论分析,并在理想情况下对该方案进行了建模仿真,分别讨论了光束数目、光束间距及排列方式对合成效果的影响,通过在远场目标处的光强分布及光斑分布统计得出合成光束输出功率与光束数目成正比,与光束间距成反比,同时在方形排列下,合成效果最好。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
•   1.1 课题研究背景及意义
•   1.2 光纤激光相干合成国内外研究现状
•     1.2.1 主动锁相相干合成技术
•     1.2.2 被动锁相相干合成技术
•   1.3 本文研究的主要内容安排
• 第2章 非成像光学设计理论
•   2.1 非成像光学概述
•   2.2 光的折反射定理
•     2.2.1 反射定理
•     2.2.2 折射定理
•   2.3 光学扩展量理论
•   2.4 边缘光线原理
•   2.5 光学基本参数
•     2.5.1 光学量
•     2.5.2 辐射量
•     2.5.3 光学量与辐射量的关系
•   2.6 TracePro软件介绍
•   2.7 本章小结
• 第3章 LED准直设计
•   3.1 LED的选型
•   3.2 反光杯的设计
•     3.2.1 反光杯结构
•     3.2.2 反光杯设计
•     3.2.3 反光杯的优化设计
•   3.3 全内反射透镜的设计
•     3.3.1 全内反射透镜结构
•     3.3.2 透镜内折射面设计
•     3.3.3 透镜侧反射面设计
•     3.3.4 建模与仿真
•   3.4 本章小结
• 第4章 LED光纤耦合设计
•   4.1 耦合光纤
•     4.1.1 渐变折射率光纤
•     4.1.2 阶跃折射率光纤
•     4.1.3 光纤的选择
•   4.2 耦合方式的选择
•   4.3 直接光纤耦合设计
•   4.4 基于透镜的光纤耦合设计
•     4.4.1 基于球透镜的耦合设计与仿真
•     4.4.2 基于自聚焦透镜的耦合设计与仿真
•   4.5 本章小结
• 第5章 光纤激光功率相干合成研究与仿真
•   5.1 光束质量评价指标
•     5.1.1 M2因子
•     5.1.2 BPF因子
•     5.1.3 Strehl Rate因子
•     5.1.4 BQ因子
•   5.2 光束质量评价指标的影响因素分析
•     5.2.1 阵列光束数目对合成光束质量的影响
•     5.2.2 阵列光束占空比对合成光束质量的影响
•   5.3 分孔径相干合成技术
•     5.3.1 分孔径相干合成理论推导
•     5.3.2 数值仿真分析
•   5.4 分孔径相干合成技术仿真与分析
•     5.4.1 模型建立
•     5.4.2 光束数目对相干合成效果的影响
•     5.4.3 光束间距对相干合成效果的影响
•     5.4.4 排列方式对相干合成效果的影响
•   5.5 本章小结
• 第6章 总结与展望
•   6.1 论文总结
•   6.2 后续工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 陈红

导师: 秦会斌

关键词: 相干合成,非成像光学,全反射透镜,光纤耦合,分孔径相干合成

来源: 杭州电子科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学,无线电电子学

单位: 杭州电子科技大学

分类号: TN24;TN312.8

总页数: 64

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