[发明专利]一种模拟光纤激光自由空间相干合成能量分布的方法

摘要

本发明涉及一种模拟光纤激光自由空间相干合成能量分布的方法，特别是涉及仿真光纤激光在自由空间相干合成的影响参数的方法，属于激光技术领域。本发明对相干合成能量分布的影响参数进行模拟，得出理想的能量分布，在实际中以此为依据进行参数调节，获得近似的能量分布和主瓣百分比，有助于缩小参数的调节范围，减少时间，降低人力物力，降低实验成本。

主权项

1.一种模拟光纤激光自由空间相干合成能量分布的方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤一：建立光纤激光器在自由空间内远场干涉的数学模型；高斯光束的振幅分布公式为：式(1)中，r为高斯光束每一点到中心的半径，z为高斯光束传播距离，A₀为幅值，w₀是高斯光束的束腰半径，w_(z)为高斯光束的束宽，i²＝‑1，是高斯光束的相位部分；w(z)由公式(2)确定：λ为高斯光束的波长；当距离z＝0时，有w(z)＝w0；在直角坐标系中，有r2＝x2+y2，单根高斯光束近场振幅为：式(3)中，x，y为直角坐标系中的横纵坐标；由夫琅禾费衍射理论可知，远场平面的场分布等于近场孔径平面场分布的傅里叶变换，远场光强分布公式：式(4)中，k为波数；λ为波长，(x_m,y_n)是阵元坐标；经过出射面的任意一点为出射点，该出射点在观察面对应的点为观察点，θ_x和θ_y指的是出射点和观察点连线与x轴，y轴的夹角，单位为弧度；步骤二，推导不同阵列的阵元坐标；光纤阵列排布包括方形、圆形和六角形阵列排布；分别建立三种阵列的数学模型，计算不同阵列排布中阵元的坐标；圆形阵列排布：圆形阵列排布中，阵元的束腰半径为w0，阵元间距为d；设m表示圆形阵列环数，对只有一个阵元的阵列，m＝0；对于m≥1的阵列，n表示第m环上的第n个阵元，其中1≤n≤6m；由阵列原理可知，第m层上的第n个阵元的坐标(xmn,ymn)表示为：阵元总数N表示为：式(6)中，M为圆形阵列的总环数；方形阵列排布：方阵排布的阵元宽度为奇数；单个激光的束腰半径为w0，阵元间距为d；H为方形阵列总行数，C为总列数；设[H/2]+1行[C/2]+1列的激光器光束为方阵原点，则方阵中阵元的坐标(xh,yc)为:式(7)中，h,c为方阵中的行与列；六角形阵列排布：阵元中心为一个阵元，每一层成六角形阵列排布；阵元的束腰半径为w0，阵元间距为d；六角形阵列利用旋转原理：设U为六角形外扩最大层，U≥1；u为六角形阵列的第几层，u∈(1,U)；第u层上，以v个点为一组，进行旋转，v∈(1,u)；则第u层，第v个阵元坐标(xuv,yuv)为：直角坐标系中的旋转变换公式为：式(9)中，(x,y)为变换后的坐标，(x'，y')为变换前坐标，θ为旋转角度；因为六角形需要旋转6次，每次60度，由此得到如下公式：式(10)中(Xuv,Yuv)为变换后的六角阵列阵元坐标，a为旋转次数；步骤三：建立不同阵列排布下远场干涉模型；依据公式(4)和公式(5)建立圆形阵列排布方式下的远场干涉仿真模型；依据公式(4)和公式(7)建立方形阵列排布下的远场干涉仿真模型；依据公式(4)和公式(10)建立六角形阵列排布下的远场干涉仿真模型；步骤四：输入参数仿真相干合成的能量分布；依据建立的圆形阵列、方形阵列和六角形阵列的远场干涉模型，通过改变填充因子、相位、阵列排布、阵元数和振幅5种参数，得出光纤激自由空间相干合成的能量分布。