大口径光学系统气动光学效应及抑制技术研究

论文摘要

气动光学效应是降低大口径光学系统或复杂环境气流下光学系统像质的重要因素。研究气动光学效应并提出相应的抑制措施可有效的提升像质。因此,研究气动光学效应及其抑制技术具有较高的科研价值和工程意义。流体导致的气动光学效应主要是由流场密度变化产生的折射率分布不均引起的。本文针对某米级口径扩束系统,在三级、四级和五级风力(4m/s、6m/s和9m/s),进风角度为0°、30°、45°、60°,进风温差为0 K、10 K、20 K情况下进行了流场分析。研究发现,环境气流进入扩束系统后,与系统内部复杂结构相互作用产生低速湍流。流场中包含了较多不易耗散的涡流团,从而引起气流密度变化,并最终导致介质折射率改变。流体密度场的分布与涡流的形状、尺度、位置有关,且随着环境气流风力等级和扩束系统口径的增加,流场的密度变化越复杂。同时,环境气流进风角度对流场的影响受到扩束系统镜筒的制约。当进风角度在在0°~45°之间时,大部分气流能够进入系统内部,对流场的影响较大;当进风角度为约60°时,由于镜筒的阻挡作用,进入内部流场的气流减少,造成的影响降低。环境气流同扩束系统之间的温差会导致气体流动,从而导致流场产生更多的涡流。将流场的密度分布映射为折射率场后,就可以对扩束系统中传输的光线进行追迹。常用的光线追迹方法是求解光线微分方程,它在求解上有较大的难度。本文针对该方程,推导出了一种新的求解方法。此方法采用拟合公式得到离散点的折射率分布,然后利用解析法计算折射率梯度。同时,在求解光线微分方程时,采用自定义过渡函数,直接将笛卡尔坐标下点的位置(x,y,z)与弧长s对应起来,得到光线微分方程的通用求解表达式。利用该表达式可以对任意折射率分布介质中的光线传输进行计算。通过光线微分方程的计算,就可以得到光线传输的光程(Optical Path Length,OPL)和光程差(Optical Path Difference,OPD)。采用波前面形、泽尼克多项式和斯特列尔比评价方法,基于光线追迹求得的光程差,对扩束系统内的气动光学效应进行了光学像质评价。通过分析可知,环境气流风速增大,以及扩束系统口径增大,流场中传输光线产生的波像差也越大。同时,环境气流进气角度的改变会引起流场中传输光线的波像差发生变化。其中,进风角度在0°到45°范围内OPD增加明显;进风角度达到60°以后,由于镜筒壁的阻挡作用,环境气流进入扩束系统内部的量减少,湍流动能降低,因此产生的波像差减小。环境气流同扩束系统之间的温差不但会产生低阶像差,还会产生高阶像差。研究气动光学的机理和产生条件,最终的目的是为了设计合理的措施来抑制气动光学效应。本文针对米级口径扩束系统,采用增加镜筒长度(被动式)、主次镜进气优化(主动式)和镜筒壁进气优化(主动式)方式对环境气流引起的气动光学效应进行抑制。通过变换镜筒长度、变换进气孔位置、孔径和数量,将流场中涡流出现的位置压制在主通光孔径边缘,提高了光束传输质量。本文还对环境气流引起的气动光学效应进行了缩比模型实验研究。基于?520mm口径镜筒,研究了环境气流进风角度、风力大小对镜筒内流场的影响趋势。结果显示,该趋势同前述环境气流对米级口径扩束系统的影响一致。同时,采用本论文所涉及的流场分析、光线追迹、光程差(OPD)算法对该缩比模型进行了数值计算,流场分析的结果可以充分的解释镜筒内环境气流所引起的湍流运动。同时,将计算得到的OPD与实验测得的进行对比,二者误差在7.43%~20.01%之间。

论文目录

文章来源

类型: 博士论文

作者: 任晓坜

导师: 任戈,王继红

关键词: 气动光学效应抑制技术,光线追迹,光线微分方程,大口径扩束系统,湍涡分析

来源: 中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所)

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所)

分类号: O439

总页数: 141

文件大小: 5904K

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标签：气动光学效应抑制技术论文;  光线追迹论文;  光线微分方程论文;  大口径扩束系统论文;  湍涡分析论文;