复杂激光内通道热效应影响下的光链路传输计算方法技术

本发明专利技术提供了一种复杂激光内通道热效应影响下的光链路传输计算方法，涉及激光热效应仿真计算领域。该方法包括对光机内通道进行有限元建模及网格划分、对光学元件进行镜面热变形仿真、对透镜进行热光效应仿真、对流场进行有限元仿真、变密度流场内自适应光传输计算以及内通道光传输综合计算分析。通过上述方式，本发明专利技术提供的方法同时考虑到了流场密度分布、热致镜面变形和透镜热光效应三个因素，建立了全链路光传输仿真计算模型，能够实现复杂激光内通道热效应影响下的光链路传输计算，为后续优化远场光束质量的光学及光机设计奠定基础，减少了试验与设计之间迭代轮次，节省了经济与时间成本。时间成本。时间成本。

【技术实现步骤摘要】
复杂激光内通道热效应影响下的光链路传输计算方法


[0001]本专利技术涉及激光热效应仿真计算
，尤其涉及一种复杂激光内通道热效应影响下的光链路传输计算方法。

技术介绍

[0002]激光系统内光路热效应是影响光束质量的重要因素。在内通道光机系统中，气体被激光加热产生热效应、光学元件受光辐照产生热量、形变以及材料折射率变化等都是内光路热效应产生的重要原因。随着光束输出功率不断提升，内光路密闭空间中气体及元件散热有限，导致热量在光传输的方向不断堆积，内通道热效应这一问题已成为制约光学性能提升的瓶颈之一，对复杂激光内通道热效应影响下的光链路传输计算也迫在眉睫。
[0003]复杂激光内通道热效应光传输计算涉及热致流场折射率变化、热致镜面形变和热致镜体折射率变化对光束的影响计算，不仅需要光
‑
热
‑
流
‑
力多物理场耦合仿真计算，还涉及到复杂光路重叠区域几何处理、复杂区域网格划分、边界条件赋值方法以及流场内光束波前计算方法等关键技术，传统的仿真流程已不能满足要求。
[0004]有鉴于此，有必要设计一种复杂激光内通道热效应影响下的光链路传输计算方法，以解决上述问题。

技术实现思路

[0005]针对上述现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种复杂激光内通道热效应影响下的光链路传输计算方法，通过考虑流场密度分布、热致镜面变形和透镜热光效应三个因素，建立全链路光传输仿真计算模型，实现了复杂激光内通道热效应影响下全光链路传输计算，为后续优化远场光束质量的光学及光机设计奠定基础，减少了试验与设计之间迭代轮次，节省了经济与时间成本。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供了一种复杂激光内通道热效应影响下的光链路传输计算方法，包括如下步骤：S1、对光机内通道进行有限元建模及网格划分；S2、对光学元件进行镜面热变形仿真，求解镜面热变形的Zernike系数向量；S3、对透镜进行热光效应仿真，求解透镜热光效应的Zernike系数向量；S4、对流场进行有限元仿真，计算流场介质密度场分布；S5、根据所述流场介质密度场分布，进行变密度流场内自适应光传输计算，得到所述变密度流场内光束波前变化的Zernike系数向量；S6、加载所述镜面热变形的Zernike系数向量、所述透镜热光效应的Zernike系数向量以及所述变密度流场内光束波前变化的Zernike系数向量，进行内通道光传输综合计算分析。
[0007]作为本专利技术的进一步改进，在步骤S5中，所述变密度流场内自适应光传输计算包括如下步骤：
S51、在垂直于入射光的入射光截面上均匀选取若干个采样点，并以通光直径范围内的采样点作为光线追迹种子点；S52、计算各光学元件表面理想镜面光点的位置；S53、对有限元网格节点进行从属通光段映射标记；S54、进行变密度流场内自适应光线追迹计算。
[0008]作为本专利技术的进一步改进，在步骤S52中，计算各光学元件表面理想镜面光点的位置时，以所述种子点作为起点，进行真空状态下的理想光线追迹计算，得到所述种子点沿光束传播至光学元件表面上对应的镜面光点位置，随后计算所述镜面光点与中心光轴的距离。
[0009]作为本专利技术的进一步改进，在步骤S53中，对有限元网络节点进行从属通光段映射标记时，读取有限元网格节点的坐标数据，并针对各通光段遍历每个有限元网格节点；若某个所述有限元网格节点与当前通光段的中心光轴之间的距离≤光源通光半径，且该有限元网格节点沿当前通光段的中心光轴直线方向上的坐标未超出相邻镜面上对应的两个镜面光点所夹的光线段轴向范围，则将该有限元网格节点标记入当前通光段，以此建立有限元网格节点与各通光段之间的从属映射关系。
[0010]作为本专利技术的进一步改进，在步骤S54中，进行变密度流场内自适应光线追迹计算时，仍以所述种子点作为起点进行第二次光线追迹计算，并将流场密度变化引起的介质折射率变化对光线折转的影响纳入考虑，具体包括如下步骤：S541、将所述种子点沿步骤S52中所述理想光线追迹计算得到的理想光线的光轴方向移动预定长度，建立与通光方向垂直的光截面，并得到所述光截面与所述理想光线的交点，作为光截点；S542、提取靠近所述光截点的若干个有限元网格节点对应的流场密度数据，计算介质折射率；S543、根据折射定律，由所述光截点按照预设的追迹长度向光束传播方向进行光线追迹，随后将追迹末端作为新的光截点，并建立新的光截面；若通过所述光截面的光束矢量与所述入射光截面的光束矢量之间的夹角不超过10μrad，则所述追迹长度与步骤S541中所述预定长度一致；若所述夹角超过10μrad，则所述追迹长度为步骤S541中所述预定长度的二分之一；S544、若所述新的光截点与上一光截点的距离超过下一镜面光点与上一光截点之间的距离，表示当前通光段的光线追迹工作已完成，则将追迹出的光线矢量方程与下一镜面方程联立，求解得到替换当前光截点的镜面光点后再继续进行光线追迹；S545、若所述新的光截点与当前通光段中心光轴的距离超过了所述新的光截点最临近的四个有限元网格节点与当前通光段中心光轴的距离，则以步骤S541中所述预定长度的二分之一作为追迹长度重复进行步骤S543中的所述光线追迹；若重复进行所述光线追迹后仍然超过，则不再将该光截点对应的种子点追迹出的光线纳入后续计算；S546、重复步骤S543~S545，直至计算出所有能够由所述种子点追迹到末端光学元件表面的光线，得到所述种子点追迹出的光线光程；将所述光线光程填入所述种子点的初始位置行列矩阵，得到变密度流场内光传输光程矩阵；S547、对所述光程矩阵进行Zernike分解，得到所述变密度流场内光束波前变化的
Zernike系数向量。
[0011]作为本专利技术的进一步改进，在步骤S4中，对所述流场进行有限元仿真时，采用有限元软件内嵌宏命令流方法，建立以通光段中心光轴为Z轴的笛卡尔坐标系，并对流场与镜面边界、非光路重叠区以及光路重叠区的流体加载热源；所述热源包括通光段流体吸收光能产生的热源和镜面吸收光能产生的热源。
[0012]作为本专利技术的进一步改进，在步骤S1中，对所述光机内通道进行有限元建模包括建立流场仿真模型和镜片仿真模型；对所述流场仿真模型进行网格划分时，流场与镜面交叠区域采用边界层网格划分方法，使镜面法线方向的网格密度大于镜面水平方向的网格密度。
[0013]作为本专利技术的进一步改进，在步骤S2中，设置第一边界条件对所述镜面进行温度场仿真计算，并导出所述温度场仿真计算的数据作为输入，设置第二边界条件求解镜片变形量；再将热变形后的镜面网格节点坐标及所述镜片变形量数据转换至预设的坐标系下，导出数据并建立关于所述镜面网格节点与所述变形量之间的超定方程组，求解所述方程组得到所述镜面热变形的Zernike系数向量。
[0014]作为本专利技术的进一步改进，在步骤S3中，对所述透镜进行热光效应仿真时，在透镜介质中建立平行于主光轴的均布采样光线，提取各采样光线上的温度数据，并将所述透镜在不同温度下的折射率沿所述采样光线的长度方向积分得到光程矩本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种复杂激光内通道热效应影响下的光链路传输计算方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、对光机内通道进行有限元建模及网格划分；S2、对光学元件进行镜面热变形仿真，求解镜面热变形的Zernike系数向量；S3、对透镜进行热光效应仿真，求解透镜热光效应的Zernike系数向量；S4、对流场进行有限元仿真，计算流场介质密度场分布；S5、根据所述流场介质密度场分布，进行变密度流场内自适应光传输计算，得到所述变密度流场内光束波前变化的Zernike系数向量；S6、加载所述镜面热变形的Zernike系数向量、所述透镜热光效应的Zernike系数向量以及所述变密度流场内光束波前变化的Zernike系数向量，进行内通道光传输综合计算分析。2.根据权利要求1所述的复杂激光内通道热效应影响下的光链路传输计算方法，其特征在于：在步骤S5中，所述变密度流场内自适应光传输计算包括如下步骤：S51、在垂直于入射光的入射光截面上均匀选取若干个采样点，并以通光直径范围内的采样点作为光线追迹种子点；S52、计算各光学元件表面理想镜面光点的位置；S53、对有限元网格节点进行从属通光段映射标记；S54、进行变密度流场内自适应光线追迹计算。3.根据权利要求2所述的复杂激光内通道热效应影响下的光链路传输计算方法，其特征在于：在步骤S52中，计算各光学元件表面理想镜面光点的位置时，以所述种子点作为起点，进行真空状态下的理想光线追迹计算，得到所述种子点沿光束传播至光学元件表面上对应的镜面光点位置，随后计算所述镜面光点与中心光轴的距离。4.根据权利要求2所述的复杂激光内通道热效应影响下的光链路传输计算方法，其特征在于：在步骤S53中，对有限元网络节点进行从属通光段映射标记时，读取有限元网格节点的坐标数据，并针对各通光段遍历每个有限元网格节点；若某个所述有限元网格节点与当前通光段的中心光轴之间的距离≤光源通光半径，且该有限元网格节点沿当前通光段的中心光轴直线方向上的坐标未超出相邻镜面上对应的两个镜面光点所夹的光线段轴向范围，则将该有限元网格节点标记入当前通光段，以此建立有限元网格节点与各通光段之间的从属映射关系。5.根据权利要求3所述的复杂激光内通道热效应影响下的光链路传输计算方法，其特征在于：在步骤S54中，进行变密度流场内自适应光线追迹计算时，仍以所述种子点作为起点进行第二次光线追迹计算，并将流场密度变化引起的介质折射率变化对光线折转的影响纳入考虑，具体包括如下步骤：S541、将所述种子点沿步骤S52中所述理想光线追迹计算得到的理想光线的光轴方向移动预定长度，建立与通光方向垂直的光截面，并得到所述光截面与所述理想光线的交点，作为光截点；S542、提取靠近所述光截点的若干个有限元网格节点对应的流场密度数据，计算介质折射率；S543、根据折射定律，由所述光截点按照预设的追迹长度向光束传播方向进行光线追
迹，随后将追迹末端作为新的光截点，并建立新的光截面；若通过所述光截面的光束矢量与所述入射光截面的光束矢量之间的夹角不超过10μrad，则所述追迹长度与步骤S541中...

【专利技术属性】
技术研发人员：李强，庞中昊，武春风，姜永亮，胡黎明，李丹妮，彭景，韩西萌，王玉雷，胡金萌，
申请(专利权)人：中国航天三江集团有限公司，
类型：发明
国别省市：