激光放大传输模拟系统中远场聚焦分辨率提升算法研究

摘要

高功率激光装置是惯性约束聚变(ICF)研究中必不可少的驱动源。由于高功率激光装置实验条件苛刻、运行成本高昂，因此，计算机数值模拟已经成为研究高功率激光系统中放大传输过程的重要辅助手段，它不仅能够预测一些重要的物理现象，而且也是高功率激光装置优化设计的重要工具。
　　在激光放大传输过程的数值模拟软件设计工作中，对激光束二维空间取样时，计算范围和网格数量的选取，需要同时兼顾放大和传输两种物理过程的计算效率，通常计算范围是有限的。以片状放大器为例，计算范围超出钕玻璃二维尺寸即可。这样带来的后果是，当最终放大传输后的高功率激光束通过透镜远场聚焦时，计算结果的空间分辨率明显不足，只是形成一个尖锐的峰值。所以本文的研究重点就是，在二维计算范围受限的情况下，探索提升激光远场聚焦光斑分辨率的计算方法。主要工作如下:
　　1.通过扩大激光束计算范围，将可以提升激光远场聚焦光斑分辨率。不过，分辨率提升以计算网格数量扩大为代价，相应地，计算消耗时间也增长。基于有效计算范围以外、激光束能量趋于零的物理事实，计算范围扩大可以通过补零实现。在此前提下，通过推导比较补零前后的远场聚焦传输情况，理论上证明了，能够利用补零以前的传输结果来重建补零后的高分辨数据，并给出相应数学表达式。
　　2.根据理论推导结论，研究了二维计算范围和网格数量受限情况下，提升激光远场聚焦光斑分辨率的计算方法。首先，以向量标记算法为基础，对传输计算过程中反复调用的傅里叶变换代码进行优化，设计了分辨率提升的串行算法并编码实现。其次，采用以共享内存为基础的OpenMP并行库，进一步实现了分辨率提升的并行算法，双核与单核计算对比测试结果表明，加速比达到1.72。
　　3.为了直观显示激光束空间分布，利用OpenGL绘图函数库，研究了三维图形的平移、旋转和缩放等几何变换算法，实现激光束传输计算结果的三维显示。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 国内外研究现状

1．3 研究目的与意义

1．4 论文结构及主要内容

第2章 聚焦光斑空间分辨率提升算法

2．1 光束传输的标量衍射理论

2．2 聚焦光斑空间分辨率提升算法

2．3 本章小结

第3章 聚焦光斑空间分辨率提升算法串行实现

3．1 基于向量标记的二维离散傅里叶变换算法

3．1．1 向量标记算法

3．1．2 向量标记算法实现

3．2 聚焦光斑空间分辨率提升串行实现

3．3 本章小结

第4章 聚焦光斑空间分辨率提升算法并行实现

4．1 OpenMP并行标准库简介

4．2 聚焦光斑空间分辨率提升算法并行实现

4．2．1 向量标记算法并行化公式推导

4．2．2 并行设计

4．2．3 二维FFT并行程序流程介绍

4．3 串行与并行方式性能比较

4．6 本章小结

第5章 远场传输三维显示

5．1 三维显示系统开发环境

5．2 三维显示系统总体设计

5．3 三维显示系统各模块设计

5．4 三维显示系统实现

5．5 本章小结

总结与展望

致谢

参考文献