激光热晕补偿数值模拟计算与实验

热晕是高能激光大气传输的最重要非线性效应之一。本文编制了一套四维（三维空间，一维时间）程序用来模拟热晕及其相位补偿，对在实验条件下进行的热晕畸变及其自适应光学相位补偿实验作了数值模拟，从而将理论上的数值模拟和实验研究作了比较和分析。由计算和实验结果得到：热晕的存在会使高能激光在传输中光学质量变差，自适应光学系统对热晕造成的畸变有较好的修正，但如存在扰动（如初始光束自身不稳定，湍流扰动等），则会由于不稳定性而降低其修正效果。     

一种基于复数相位屏的强激光大气传输仿真方案

针对传统实数相位屏法中只能表征湍流扰动而不能综合表征强激光在大气传输时导致的能量衰减、湍流扰动和非线性热晕效应等困难,提出一种基于复数相位屏表征的强激光大气传输仿真方案。该方案采用复数相位屏的实部和虚部分别表征衰减和湍流、热晕作用,其中基于能见度特征综合描述大气吸收和散射的衰减作用(复数相位屏的虚部),基于流体力学的密度扰动方程描述湍流和热晕的联合作用(复数相位屏的实部)。本方案具有光场全路径跟踪、易参数控制的优点,能够为实现远场强激光传输特性的评估提供更加完善的理论基础。仿真结果表明,该方案与实际外场测量参数更加一致,具备半实物仿真及参数评估的可行性。     

高能激光及其采样后大气传输中湍流及热晕效应的比较

通过数值模拟，比较了高能激光及其采样后在湍流大气中传输时远场中央长曝光斑的环同能量半径与扩展等情况。结果表明，在仅有湍流时两者保持不变，而热晕会导致光斑的进一步扩展；采样器的透光比越低，热晕对光斑的扩展影响越小；未采样高能激光的远场中央光斑相对于高能激光经采样后的远场中央光斑的扩展，可归因于热晕效应。因此，利用光束波前采样器对高能激光及其采样后在湍流大气中传输时的远场光斑特性进行比较，就可以诊断高能激光大气传输热晕效应。     

小尺度热晕不稳定性线性化普遍理论

本文利用小起伏线性理论，给出了在非均匀吸收大气并伴有随机风速切变情况下高能激光大气传输的对数光强起伏和相位起伏以及Strehl比的普遍表达式。Strehl比的计算结果表明，由于存在小尺度热晕相位校正的不稳定性，和湍流效应相位补偿不同，只有适当地选择变形镜驱动器的间距，相位校正才有效。随机风速可以部分地抑制小尺度热晕不稳定性与相位校正不稳定性，从而提高了高能激光发射的临界能量密度。但在实际大气中，它的数值还要比产生整束热晕相位校正不稳定性的临界激光能量密度小一个量级以上。     

激光大气传输模拟程序CLAP及其应用

基于已有的工作基础,利用高效的科学计算语言FORTRAN95,开发完善了一套实用化的激光大气传输模拟程序.该程序基于光场传播的抛物型方程和多层相位屏技术,实现了激光大气传输的湍流效应、热晕效应以及湍流和热晕相互作用等的数值模拟.通过内置的4种激光大气传输路径以及10种光学湍流廓线等,可以在多种传输模式下对圆形、环形和方形等光束的传输过程和效应参数进行仿真计算,光传播的实时过程利用OpenGL技术能够三维动态显示.模拟软件的用户界面友好,计算参数设置方便,可以有效地为自由空间光通信、激光雷达探测以及随机介质中的光传输研究等提供理论分析和性能预测.     

预倾镜相位共轭系统在强激光对运动目标跟瞄中的应用

由于受到各种大气湍流、热晕等因素的影响．强激光在大气传输中会产生波前畸变，利用光学相位共轭技术可以补偿激光大气传输造成的波前畸变．提出了利用预倾镜方法实现对运动目标跟踪瞄准同时补偿波前畸变．对此项技术进行了室内模拟实验。实验结果表明采用预倾镜方法的有效性。     

热晕效应位相补偿的数值模拟

研究了大气热晕效应自适应光学(adaptive-optics, AO)位相补偿数值模拟方法。利用自主开发的高能激光大气传输四维数值模拟程序对准直光束瞬态热晕位相补偿进行了模拟,定量分析了不同的热晕强度下,AO系统空间带宽对位相补偿效果的影响。数值模拟结果表明,当热晕比较弱时,空间带宽对位相补偿效果的影响不大;当热晕比较强时,空间带宽越大,位相补偿效果越差。当热晕强度大于某一阈值时,在一个风渡越时间内,产生了位相补偿不稳定性(phase compensation instability, PCI),空间带宽越大,发生PCI的阈值越小。     

基于相关波前探测算法校正热晕的数值模拟

建立了采用相关波前探测算法（Correlation wave-front sensing algorithm,COR）的自适应光学（Adaptive Optics,AO）系统的数值模型,对准直光束大气传输自适应光学校正进行了数值模拟,分析了不同热晕强度条件下光子噪声和读出噪声对系统校正效果的影响,并与质心（Center of Gravity,COG）算法和阈值质心（Threshold Center of Gravity,TCOG）算法进行了对比。数值模拟结果表明,COR算法对噪声和热晕强度的变化具有更好的鲁棒性,可以提高夏克-哈特曼波前探测器（Shack-Hartmann Wave-front Sensor,SH-WFS）在低信噪比（Signal to Noise Ratio,SNR）条件下的波前探测精度,同时还可以较好地抑制噪声诱发的相位补偿不稳定性（Phase Compensation Instability,PCI）,改善低信噪比条件下大气热晕校正的稳定性。     

激光大气传输湍流与热晕综合效应

讨论了激光大气传输时的湍流与热晕综合效应问题.提出了根据湍流效应对热晕经验公式进行修正的处理方法,其物理基础是在湍流效应较明显的情况下,由相干距离决定的湍流Fresnel衍射参数远小于由发射口径决定的Fresnel衍射参数时,小尺度热晕的影响超过整束热晕占主导地位.将修正的经验公式与基于数值计算的定标公式相比较,结果令人满意.     

声波扰动激发湍流效应的研究

声波扰动能影响大气折射率结构常数，激发大气湍流效应.文章结合声波方程和Kolmogorov湍流模型的"2/3定律"，分析了声波激发功率和大气折射率结构常数之间的数值关系，分析了波长、温度和压强对大气折射率指数的影响.结果表明:压强的变化对大气折射率指数的影响最大，其次是温度，波长的影响最小.在标准大气压下，光波长为0.65 μm，声波扰动功率小于30 kW时，声波在距离声源1 m左右产生的大气折射率结构常数量级在10-17上下波动，属于大气弱湍流效应，表明声波扰动能产生湍流，激发湍流效应.     

多束强激光在大气传输中的热晕与湍流效应

强激光在非均匀光程中传输时,大气路径中分子的吸收系数不再是常数,利用内插法得出了中纬度夏季模式的分子吸收系数随海拔高度的变化规律。强激光传输会同时受到大气湍流效应和热晕效应的共同影响,这严重影响了强激光传输的效能,而采用多束强激光传输方法可以减小这些效应的影响。根据波动光学理论,建立了三束脉冲激光在湍流和热晕相互作用下的数学模型。数值结果表明:该方法对光强起伏、光斑分裂和光束扩展等现象有较好的校正效果。     

聚焦平台光束大气传输光束扩展的定标参数分析

建议采用63.2%环围能量半径及其内平均功率密度描述激光器大气传输光斑扩展特性.通过利用数值模拟及实验观测相结合的方法,对聚焦平台光束大气传输线性效应及湍流热晕相互作用引起的光束扩展进行了大量的数值模拟及部分实验研究,建立了描述聚焦平台光束大气传输光束扩展与大气传输特征物理参量的定标关系,从而为激光工程应用的可行性及系统参量的优化设计提供依据.     

强激光大气传输特性分析及自适应光学技术

分析了强激光在大气传输中产生的折射、吸收、散射和湍流等线性光学效应，以及热晕、受激喇曼散射和大气击穿等非线性光学效应。同时介绍了自适应光学技术，以用于强激光发射。     

(2+1)维色散长波方程组新的无穷序列精确解

为了获得非线性发展方程的无穷序列新精确解, 给出Riccati方程的一些新解和B\"{a}cklund变换以及解的非线性叠加公式, 并Riccati方程与函数变换相结合,借助符号计算系统Mathematica,构造了 (2+1)维维色散长波方程组新的无穷序列精确解. 这些解包括无穷序列类孤子解、无穷序列复合型解等. 这种方法构造非线性发展方程无穷序列精确解领域具有普遍意义.     

气溶胶所致热晕中的大气密度变化的理论分析

当高能激光穿过大气时,大气中的分子和气溶胶粒子吸热会使大气密度发生变化,从而导致局部折射率变化,由此产生热晕效应。本文主要分析了气溶胶粒子所致稳态热晕和含时热晕中的大气密度变化问题。