大气水平浮力射流传热特性对激光系统光学像差的影响机制研究

本研究针对强制对流冷却系统产生的温度梯度与湍流导致光学系统性能下降的问题，通过数值模拟与Shack-Hartmann波前传感器(SHWFS)实验，揭示了水平浮力射流引发的负Y倾斜、正离焦等像差规律，为光学系统热管理提供了定量评估方法。

　　

在精密激光系统如天文观测和医疗成像中，温度波动如同隐形杀手——强制对流冷却虽能控温，却带来恼人的副作用：气流湍动会扭曲光路，形成类似"热透镜"的效应，最终导致激光焦点偏移或图像模糊。这种现象在汽车尾气扰动成像等场景中尤为明显。当前，学界缺乏对自由流动条件下热-光耦合机制的精准解析，而传统方法难以区分浮力与惯性力的独立作用。

首尔科技大学的研究团队独辟蹊径，选择水平浮力射流作为"光学扰动模型"，通过COMSOL Multiphysics多物理场仿真与波前传感技术，首次定量揭示了气流温度与光学像差的映射规律。研究发现，当热气流以3.5m/s速度水平喷射时，其核心区因浮力上升形成"负透镜"，导致光线产生三重畸变：Y轴负偏斜(-0.15μrad)、正离焦(0.8λ)和垂直负像散(-0.3λ)。这些畸变量随排气温度升高呈指数增长，在80°C时达到峰值。

关键技术包含：1）基于Edlen公式构建空气折射率-温度场模型；2）采用雷诺平均Navier-Stokes方程模拟湍流；3）使用Zernike多项式分解波前畸变；4）通过SHWFS实测验证仿真结果。

【光学像差形成机制】
射流核心区温度梯度使折射率分布呈马鞍形，产生类似柱面透镜的效果。理论计算显示，温度每升高10°C，折射率下降1.2×10^-6，导致光线偏折角增加0.05μrad。

【数值模拟验证】
湍流动能耗散率分析表明，当耗散率超过0.15m²/s³时，像差波动幅度骤增40%，证实空气参数脉动是畸变不稳定的主因。

【实验验证】
采用632.8nm氦氖激光通过直径5cm的射流区，SHWFS捕捉到与仿真高度吻合的波前畸变模式，RMS误差小于0.05λ。

该研究建立了首个基于湍流参数的像差预测模型，为高能激光器的热设计提供新准则：将射流温度控制在50°C以下、湍流耗散率低于0.1m²/s³时，可减少75%的热致像差。论文创新性地将流体力学与光学像差理论交叉融合，其方法论可延伸至大气湍流补偿、燃烧诊断等领域。这项发表于《Optics and Lasers in Engineering》的成果，标志着光学系统热管理从经验设计迈向量化调控的新阶段。