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。     

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。     

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.     

基于微扰法研究涡旋光束在大气中传输的热晕效应

基于一阶微扰法,推导了涡旋光束在大气中传输 的稳态热晕解析表达式,并得到了由 热晕引起的涡旋光束的相位畸变表达式。通过数值模拟涡旋光束在大气中传输的光强等值线 分布,详细分析了传输距离、初始功率、横向风速、大气吸收系数和初始半径对涡旋光束热 晕的影响。研究结果表明,在其他参数不变的情况下,单一增大涡旋光束的初始功率、传输 距离和大气吸收系数,热晕效应会增强;相反,单一增大初始半径和横向风速反而会减小热 晕效应。在有风的情况下,由于热晕作用,涡旋光束会向来风方向偏折,峰值强度发生移动 ,形成不对称的分布,且涡旋光束在沿风向和垂直风向的相位变化有所不同。所得结果对高 功率激光在大气传输中的应用与高能激光器的发展具有重要的指导意义。     

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。     

大功率激光的传输

大功率激光束在大气中传输时受多种因素的影响,其中最主要的是吸收、散射、湍流(引起光束扩展及漂移)、热晕(敷霜)和气体击穿。本文用简易模型来说明各种大气因素如何通过其与激光波长和时间工作方式(连续波或脉冲式)的依赖关系影响大功率应用中最佳激光器的选择。这里给出从0.34～10.6微米七种普通激光波长在海平面上传输的结果,证明在典型湍流和气悬体散射条件下以中红外辐射波长为最可取。在较长的10.6微米波长中,由于分子吸收较强而以热晕为主,在较短波长处以湍流感应下的光束扩展、气悬体吸收以及散射效应为主,并且限制着仅在衍射效应基础上所予料的辐射的增长。     

高能激光大气传输中热晕与自聚焦的比较

通过分析激光在大气中传输所产生热晕效应和自聚焦效应的临界功率PWB和PK表明，在同样大气条件下，产生自聚焦的临界功率PK比产生热晕的临界功率PWB大约高5个量级。另外，分析了在同样激光功率下，不同宽度的脉冲激光在大气中传输时的热晕效应与自聚焦效应，一般情况下，微秒量级的脉冲激光在大气传输中的自聚焦效应可忽略，而对于超短飞秒脉冲激光，必须考虑自聚焦效应对传输的影响。     

高能激光大气传输中热晕与自聚焦的比较

通过分析激光在大气中传输所产生热晕效应和自聚焦效应的临界功率PTB和PK表明,在同样大气条件下,产生自聚焦的临界功率PK比产生热晕的临界功率PTB大约高5个量级。另外,分析了在同样激光功率下,不同宽度的脉冲激光在大气中传输时的热晕效应与自聚焦效应,一般情况下,微秒量级的脉冲激光在大气传输中的自聚焦效应可忽略,而对于超短飞秒脉冲激光,必须考虑自聚焦效应对传输的影响。     

海上大气激光传输特性仿真研究

大气光学效应是影响激光器作用效能的重要因素之一。基于多层相位屏法,针对海上大气环境下激光水平传输做了大量数值仿真,通过在湍流相位屏上叠加热晕以及衰减引起的相位变化,综合考虑三者对激光传输特性的影响;分析了不同激光初始功率、不同折射率结构常数、不同能见度以及有无热晕情况下接收面处激光光斑半径,质心漂移均方根和环围功率比的变化规律。仿真结果表明:激光初始功率越强,热晕效应越明显,光斑畸变越严重,光束质量变差;折射率结构常数越大,湍流效应越强,光斑扩展与光束漂移现象越明显,平均功率密度下降,环围功率比增加;能见度越小,激光能量衰减越严重,环围功率比越大;热晕效应会加大光斑扩展程度,增加光束漂移量和环围功率比。研究结果可为海上大气环境对激光器作用效能评估提供一定的理论依据。     

风控热晕下椭圆激光光束质量的优化研究

实际高能激光器(如半导体激光器、光谱合束系统)出射的激光存在椭圆分布的现象。高能激光在大气中传输时会遭遇非线性热晕效应,大气热晕效应对椭圆高斯光束传输特性的影响还未见报道。用解析和数值模拟方法研究了风控热晕下椭圆激光光束质量的优化问题,推导出了热畸变扭曲参数的解析公式,并证明了其正确性。研究表明：由于椭圆光束像散特性,大气热晕效应对其传输特性的影响与风向密切相关。当源平面处迎风方向的束宽越大(光斑面积相等)时,聚焦椭圆高斯光束受热晕效应的影响越弱,靶面光斑对称性越好,能量集中度越高,即靶面光束质量越好。因此,在实际工作中,聚焦椭圆高斯光束的短轴沿着大气的总体风向更有利于减弱热晕效应。并且,聚焦椭圆高斯光束达到稳态热晕的时间与源平面处沿风方向的束宽成正比。研究结论对高能激光大气传输的应用具有理论指导意义。     

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。     

激光大气传输非线性效应数值模拟与分析

对激光通过大气传输的主要非线性过程进行数值模拟，列出大气的流体动力学方程组和与大气互作用的波方程．推导出受激热瑞利散射引起的小扰动不稳定性的波与大气的耦合方程，还对湍流作了处理，依据这些理论基础，编制了一套四维程序，用来模拟热晕及补偿、小扰动不稳定性、热晕与湍流的互作用过程．理论结果和实验十分符合．     

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.     

激光大气传输数值模拟中对计算参量的选取

根据数值计算的抽样原则、传输介质的特性及传输效应等,对激光大气传输数值模拟中计算参量的选取进行了比较全面的分析,总结了选取计算参量时应遵循的基本要求.针对湍流效应、稳态热晕效应数值模拟中横向抽样网格间距和传输步长的选取分别进行了分析,并得到了这些计算参量与大气传输效应特征参量的关系,从而为激光大气传输的数值仿真提供依据.     

临近空间激光传输特性研究

基于临近空间大气基本特性,对激光与大气相互作用进行分析和研究,采用MODTRAN软件分析了临近空间大气的吸收和散射,给出了400~2000 nm波长激光的透过率曲线,从激光光斑漂移和扩展两个方面对大气湍流对激光传输的影响进行数值计算,对发生热晕效应的功率阈值进行数值估算,结论表明:与近地空间相比,临近空间大气对于激光传输影响较弱,有利于实现高功率激光的长距离传输。     

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。