颗粒污染光学镜面激光传输损耗的特性研究

摘要

光学镜面作为光学系统中的重要元件,它的散射特性对整个系统的性能会产生重要的影响。在实验室与中国工程物理研究院激光聚变研究中心合作项目的资助下,本文首先利用米氏散射理论建立了用于描述沉降在光学镜面上的颗粒污染物的散射特性的双向反射分布函数(BRDF)模型,随后使用Matlab模拟仿真软件,编制了用于计算 BRDF的模拟仿真程序,分别计算了可见光0.6328μm、近红外光1.053μm和热红外光10.6μm三种入射激光波长情况下光学镜面颗粒污染物的双向反射分布函数(BRDF),最后根据计算结果研究了激光入射时,光学镜面在不同污染条件下的散射特性。计算结果表明:
　　(1)光学镜面的 BRDF与入射激光的波长之间具有十分明显的关系,随着入射激光的波长逐渐变短,光学镜面上的 BRDF数值逐渐的变大,表明光学镜面上的散射在入射激光波长较短时比较复杂。
　　(2)对于干净的粗糙镜面,镜面的 BRDF与镜面的粗糙度及自相关长度具有显著地关系,在自相关长度一定的情况下:镜面粗糙度远远小于入射激光波长(σ<<λ)时,干净镜面的散射强度与粗糙度σ成正比,而与入射激光波长λ成反比。
　　(3)当光学镜面受到颗粒污染物污染之后,污染镜面的散射光强度与光学镜面上污染颗粒物的数量关系密切:镜面上的污染颗粒的数量越大,所得的BRDF值就越大,散射情况越复杂。
　　(4)受到颗粒污染的镜面上的散射光强度还与污染颗粒物的尺寸大小之间存在着关系:镜面上存在大尺寸颗粒时,BRDF曲线的波动变得十分剧烈,散射变得愈加复杂。
　　在许多的情况下,光学镜面受到污染之后的污染程度常常用“洁净度”来表示。利用建立的双向反射分布函数(BRDF)模型,在上述三种激光(0.6328μm、1.053μm、10.6μm)入射的情况下,我们还对在基本洁净(洁净度200)、轻度污染(洁净度500)及重度污染(洁净度750)三种光学镜面洁净度下镜面的 BRDF进行了模拟计算,结果表明:
　　(1)在入射激光的波长一定的情况下,随着光学镜面的洁净度逐渐变大,镜面上BRDF值也随之变得越来越大,散射也就越强,变得更加复杂。
　　(2)光学镜面处于较低的洁净度时所引起的 BRDF值就能与镜面粗糙度引起的BRDF相当,这说明镜面较少的污染颗粒就会对光学镜面的散射产生较为显著地影响,并且入射激光波长越长,这种现象越明显。
　　在上述理论分析的基础上,首先介绍了一种测量BRDF的常用方法,然后根据CCD成像原理,运用光束质量分析仪进行了探索性实验。对污染镜面的实验结果进行了初步的研究,结果表明:干净镜面反射光束的能量要比污染镜面反射光束的能量集中。由于光学镜面上颗粒污染物的存在,导致各个方向上的散射能量增强,主反射方向上的反射光能降低,即污染镜面的反射能量分布比较分散,颗粒污染物使得光学镜面上激光传输的损耗加剧。
　　综上所述,镜面上污染颗粒物的分布情况越复杂,镜面的散射就会越显著。由此可见,污染颗粒是光学镜面散射的一个主要的来源,这项研究可为光学工程中光学镜面的污染评估和镜面清洁提供有益帮助。

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1 绪论

1.1 课题研究的背景和应用前景

1.2 国内外的研究现状

1.3 本文的主要内容与结构安排

1.4 本章小结

2 颗粒散射的经典描述-Mie散射理论

2.1 颗粒对光的散射

2.2 米氏散射

2.3 对米散射的进一步描述

2.4本章小结

3 光学镜面的散射特性-双向反射分布函数

3.1 引言

3.2 双向反射分布函数（BRDF）

3.3 干净镜面-不同粗糙度的散射特性

3.4 镜面颗粒污染物的散射

3.5 本章小结

4 镜面污染的量度-洁净度

4.1 洁净度

4.2 洁净度与BRDF

4.3 镜面污染的模拟

4.4 本章小结

5 实验方法的探索与研究

5.1 初步实验研究

5.2 实验方法的改进与探索

5.3 本章小结

6 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献