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。     

强激光稳态热晕效应的数值模拟研究

为了研究强激光在大气传输过程中产生的热晕效应,采用数值模拟的方法,对无风时稳态热晕效应的影响参数进行了求解,探讨了无风稳态热晕效应对轴上光强以及远场能量分布的影响。结果表明,无风稳态热晕效应存在时,随发射功率的增大,一定传输距离截面上的峰值功率密度先增大后减小;截面上的峰值光强随基模高斯光束的腰斑半径的增大而增大;随着传输距离的增大,截面上峰值光强在逐渐减小,能量在逐渐向周围扩展;在一定条件下,截面上的光强分布会呈现中心光强小于周围光强的“草帽型”分布。该结论对研究强激光在远场的辐照效应是有帮助的。     

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。     

高能固体脉冲激光热晕效应相位补偿的数值分析

热晕效应是高能激光大气传输最重要的非线性效应之一。利用激光大气传输四维仿真程序,针对高能固体脉冲激光大气传输的非线性热晕效应,采用常规自适应光学系统与随机并行梯度算法自适应光学系统对其相位补偿进行了数值模拟和分析。结果表明:当脉冲宽度1 ms,重复频率10 Hz,单脉冲发射功率500 kW时,常规自适应光学系统补偿效果较好;当脉冲发射功率增加或者重复频率增加时,随机并行梯度下降算法自适应光学系统补偿效果较好。     

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。     

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。     

高能固体热容激光器大气热晕效应数值分析

气溶胶粒子从高能激光光束中吸收了能量,通过热传导加热空气,造成空气在光束内形成了温度的不均匀分布,产生对激光波面的影响,从而影响高能激光的传输.对单个和群体气溶胶粒子在单脉冲和多脉冲作用下的行为进行了详细分析;在粒子间距小于高能固体热容激光器的热传导特征半径时,只引起光的散射,而在粒子间距大于高能固体热容激光器的热传导特征半径时,可等效于分子吸收所致热晕.通过数值计算,在一定的简化计算条件下,热晕对高能固体热客激光器大气传输影响不大.     

热晕及其相位补偿数值模拟与定标规律研究

本文对激光通过大气传输引起的热晕进行数值模拟，并采用相位补偿的方法对热晕进行校正，从计算结果中得到经过相位补偿后，光束质量有较好的改善，Ｓｔｒｅｈｌ比有所提高。从模拟结果中还总结出补偿后的热晕 定标规律公式，发现热晕经补偿后的功率阈值提高３倍以上。     

聚焦光束热晕效应相位补偿定标规律研究

非线性热晕效应对高能激光大气传输有重要的影响,一个可以用来预测和评价高能激光在不同传输条件下自适应光学系统补偿效果的定标规律对实际的工程应用有重要的意义。利用激光大气传输四维仿真程序,通过仿真不同空间带宽的自适应光学系统,在均匀路径下,对不同发射口径、不同传输距离聚焦光束稳态热晕的相位补偿进行了数值计算。结果表明,自适应光学系统空间带宽对聚焦光束热晕效应的相位补偿影响差别不大,使用广义畸变参数N可以较好地定标其相位补偿效果。     

近红外激光水面传输热晕效应缩比实验研究

为了验证近红外激光在水面大气传输时的热晕效应,采用缩比实验方法,克服了大口径和高功率系统复杂、实验成本高等实际问题,以理论分析为基础设计了高效的实验方案,对1000nm左右的激光水面大气传输热晕效应进行了实验研究,取得了重要的外场实验数据。结果表明,在选择合适的功率和发射口径情况下,1000nm左右的高能激光水面传输热晕效应可忽略。这一结果对大口径和高功率激光系统设计是有帮助的。     

瞬态热晕效应的数值分析

根据微扰理论,分别对准直波束和聚焦波束在短脉冲、长脉冲情况下的瞬态热晕效应进行了计算和分析。结果表明,脉冲越短,光束和大气的相互作用时间远小于形成热透镜效应的时间时,热晕效应越弱,因此短脉冲可以有效降低热晕效应;脉冲越长,热晕效应越强,当脉冲宽度远大于流体力学时间时,长脉冲热晕的结果趋向于稳态热晕的结果。     

准直脉冲激光大气传输热晕数值分析

大气通道上介质对激光部分能量的吸收,导致大气折射率的改变,形成自散焦负透镜,产生热晕．使激光发生畸变,限制了激光能量在大气中的有效传输．以准直脉冲高斯激光束大气传输为例,数值分析了热晕对由光束的声传递时间（即流体动力学时间）定义的两种脉冲长、短脉冲大气传输的影响：长脉冲受到非线性热晕效应影响很大,光束截面上光强发生了重新分布,轴上光强凹陷,峰值光强向周围扩展;短脉冲主要受到线性吸收的作用,受到的非线性热晕效应影响很小．提出了采用脉冲间隔适当的序列短脉冲传输来提高激光传输能量的方法．     

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...     

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.     

激光大气传输热晕与光束抖动综合效应的数值模拟

研究了激光大气传输中热晕与光束抖动综合效应的数值模拟方法。一般情况下采用统计方法模拟光束抖动,当光束抖动频率远小于或远大于热晕特征频率时,用卷积的方法计算热晕与光束抖动综合作用下的光束远场光斑的光强分布。为了检验数值模拟方法的正确性,针对聚焦Gauss光束,计算了热晕与光束抖动综合作用下,焦平面上的光强分布。计算结果与经验公式的计算结果符合得很好,验证了数值模拟方法的正确性。     

脉冲激光大气传输热晕数值分析

由于大气通道上介质对激光能量的吸收,改变了大气折射率,形成自散焦负透镜,从而产生热晕。热晕使激光发生畸变,限制了激光能量在大气中的有效传输。以准直高斯光束为例,模拟单脉冲和序列脉冲激光大气传输,对均匀风场和无风两种情况下激光在不同靶程光束截面的光强分布进行了数值分析。结果表明：长脉冲比短脉冲受到非线性热晕效应影响大;序列脉冲存在一个最优化脉冲间隔,使上靶光强存在20%~30%的涨幅。最后,在没有采用自适应光学系统对畸变进行补偿的情况下,提出了采用脉冲间隔适当的序列短脉冲传输来提高激光传输能量的方法。     

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。     

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。     

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．