聚焦光束大气传输光束扩展定标规律的数值分析

选取多种典型激光传输条件下的计算参量，对平台光束聚焦大气传输湍流热晕相互作用引起的光束扩展进行了数值分析.热畸变的产生是在快速变化的湍流扩束作用之后，在此假定的基础上，建立了描述聚焦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.在了解激光发射系统的特征参量和大气传输效应的特征参量之后，即可由定标关系迅速判断激光大气传输的效果，从而为激光工程系统的参量优化设计及其应用效能评估提供依据. 关键词： 湍流效应 热晕效应 光束扩展 定标规律     

大功率光纤激光大气传输特性的研究

影响激光传输效果的主要因素包括大气分子和气溶胶粒子吸收以及由散射造成的衰减效应、大气湍流引起的湍流效应和强激光加热空气造成的热晕效应。针对光纤激光的大气传输进行了研究,研究了在1080nm特定波长的光纤激光大气传输过程中的大气湍流、热晕效应、湍流热晕相互作用对光纤激光远场功率密度的影响。     

大气湍流和热晕效应对列阵合成激光传输特性和光束质量影响的理论研究进展

介绍了大气湍流效应和热晕效应对列阵合成激光传输特性和光束质量影响的理论研究进展。主要介绍了合成激光在大气中传输的解析和数值模拟研究方法,大气湍流效应对列阵合成光束的光强分布、远场发散角、方向性、曲率半径和湍流距离的影响,以及大气热晕效应对列阵合成光束的光强分布、传输效率、重心偏移、热晕时间尺度和焦移的影响。研究结果表明,大气湍流效应和热晕效应对合成激光光束质量的影响与光束合成方式、合成光束参数以及大气参数密切相关。     

大气湍流和热晕综合效应下旋转光束的传输特性

旋转光束指的是一类由拓扑荷数不同的涡旋光束经外差干涉产生的,光强、相位或偏振随时间快速旋转的新型光束.旋转光束在大气通道传输时因其光场随时间快速旋转可遍历大气传输路径上的不均匀性,使得大气湍流和热晕等效应引起的相位畸变在旋转方向得到匀滑,从而达到改善光束质量,提升光束质心稳定性的目的.在考虑大气湍流和热晕综合效应的情况下,建立了旋转光束在大气的传输模型,分析了旋转光束如何缓解大气湍流和热晕效应的物理机制.在此基础上,进一步分析了光束旋转频率和子光束功率比值,以及大气湍流和热晕强度等对旋转光束大气传输特性的影响及规律,从而为激光大气工程应用提供参考.     

高能固态激光非Kolmogorov湍流大气传输光斑扩展的数值分析

采用高能激光大气传输四维仿真程序模拟计算了高功率固态激光在非Kolmogorov湍流大气中聚焦传输时的湍流与热晕效应。数值分析了接收平面处光斑的63.2%环围能量半径、光束质量因子随非Kolmogorov湍流谱指数α和传输起伏强度D/r0的变化,比较了非Kolmogorov湍流与Kolmogorov湍流条件下激光传输结果的相对偏差。结果表明:非Kolmogorov湍流谱指数α越小,湍流效应和湍流热晕综合效应导致的光斑扩展越大,光束的能量集中度越低;已建立的描述聚焦高斯光束大气传输光束扩展的定标关系式在非Kolmogorov湍流条件下不再成立;在传输参数条件下,仅考虑湍流效应时,非Kolmogorov湍流与Kolmogorov湍流下光斑半径的相对偏差最大值可达87.7%,存在热晕时的最大相对偏差达43.7%,可见热晕降低了两种情况下传输结果的相对偏差。     

高能激光准直传输远场斯特雷尔比与数值验证

利用扩展惠更斯-菲涅耳原理对高能激光在大气中的传输进行了分析,获得了高能激光准直传输轴上及峰值斯特雷尔比的积分表达式,并使用激光大气传输四维仿真程序对该表达式的适用范围进行了分析及数值模拟验证。结果表明,积分表达式可以很好地适用于无自适应光学系统补偿时的高能激光湍流热晕传输问题,可以用于自适应光学系统补偿时弱热晕条件下的湍流热晕角非等晕问题和弱热晕及中等热晕条件下的湍流热晕聚焦非等晕问题。     

“之字形”光路薄管固体激光大气长程传输光束质量分析

“之字形”光路薄管固体激光是一种结构紧凑、增益高且利于发射的新型激光光源。针对薄管固体激光光源及其大气长程传输过程中的光束质量退化问题,提出了基于直角锥面变形镜的薄管激光校正方法,进而通过建立薄管激光校正模型以及大气长程传输模型,开展了薄管激光大气长程传输光束质量分析。首先,针对大遮拦比窄环宽环形光束与发射系统的匹配问题,提供了一种薄管激光环形光束整形变换方案,有效实现了薄管激光的整形和变换。然后,分析了薄管激光光源光束质量、大气湍流效应和热晕效应等对整形变换后的薄管激光大气长程传输特性的影响,进而明确了薄管激光大气长程传输光束质量退化机理。最后,分析了直角锥面变形镜对薄管激光的光源畸变、大气湍流的低频分量和热晕导致的离焦相位等的校正效果。结果表明,经过直角锥面变形镜的校正,薄管激光光源光束质量明显改善,大气长程传输后的远场光束质量有所提高。若进一步配合常规变形镜进行联合校正,薄管激光大气长程传输后的远场光束质量可得到显著提升。     

激光传输大气参量测量精度要求的数值分析

 就激光大气传输湍流热晕相互作用下大气参量测量误差对激光传输效果（平均功率密度）的影响进行了数值分析，并以典型的激光传输条件为例，分析了对激光大气传输影响最为敏感的3个大气参量——风速、吸收系数以及湍流结构常数的测量精度要求。综合不同传输距离下大气参量测量误差对传输效果的影响，大气风速的测量精度要求为±10%，吸收系数及湍流结构常数的测量精度要求分别为±5%和±15%。     

大气热晕效应引起的激光焦移的计算与分析

采用薄透镜组合的半解析近似方法,研究了大气中的热晕效应对激光聚焦的影响.用该计算方法得出结论:大气热晕效应对高功率激光聚集光束传输的影响与其初始功率、发射口径、传输路径及大气吸收系数有关.在吸收系数随距离增加而减少的光程上(如上行传输),热晕将导致焦点向远离发射点方向移动,而在吸收系数随传输距离增加而增加的光程上(如下行传输),热晕将导致焦点向靠近发射点方向移动.     

序列长脉冲激光热晕效应的定标规律

针对序列长脉冲激光,提出了衡量序列长脉冲激光热晕效应强度的热畸变参数,建立了序列长脉冲激光热晕效应的数值仿真模型,并进行了实验验证。对比分析后发现实验结果与仿真结果在光斑形态和大小方面具有较好的一致性,从而验证了序列长脉冲激光热晕效应的数学物理模型及仿真算法的可靠性。在此基础上,通过改变大气参数及发射系统参数进行大量的数值仿真,得出由序列长脉冲激光热晕效应引起的光斑扩展与热畸变参数的定量关系,即序列长脉冲激光热晕效应的定标规律。     

The Effect of the Wind Speed on the Thermal Blooming of a Laser Beam Propagating in the Rain

In this paper, we investigate the effect of the wind speed on the thermal blooming of a laser beam propagating in the rain. In view of simulations, we obtain the contour distribution of the laser beam and calculate the change in air density by changing the wind speed for different rain rates. We find that with increase in the rain rate, the effect of the wind speed on the thermal blooming enhances.     

Theoretical and experimental studies on high-power laser-induced thermal blooming effect in chamber with different gases

High-power laser induced thermal blooming effects in a closed chamber with three different gases are investigated theoretically and experimentally in this work. In the theoretical treatment, an incompressible gas turbulent model is adopted. In the numerical simulation the gas refractive index as a function of both the temperature and pressure is taken into consideration. In the experimental study the pump-probe technology is adopted. A high-power 1064-nm fiber laser with maximum output power of 12 kW is used to drive the gas thermal blooming, and a 50-mW high-beam-quality 637-nm laser diode (LD) is used as a probe beam. The influences of the gas thermal blooming in the chamber on the probe beam wavefront and beam quality are analyzed for three different gases of air, nitrogen, and helium, respectively. The results indicate that nitrogen is well suitable for restraining thermal blooming effect for high-power laser. The measured data are in good agreement with the simulated results.     

激光大气传输中热晕的数值模拟

采用快速傅里叶变换,研究了激光在大气传输中的热晕现象。得出了一定条件下,热晕随激光输入功率和传播距离的稳态变化规律,并计算了激光在大气中传输10km时发生热晕的功率阈值。在瞬态情况下,研究了有风和无风热晕现象。     

Non-Kolmogorov湍流大气中小尺度热晕效应线性理论

从小尺度热晕线性理论出发,在non-Kolmogorov谱的基础上,得到了non-Kolmogorov谱湍流下热晕相位补偿的Strehl比表达式,分析了湍流谱对高能激光的相位补偿的影响.研究结果表明湍流谱对湍流热晕效应的相位补偿有重要的影响.在相同的湍流菲涅耳数下,当谱指数越接近于3时补偿效果越差,谱指数接近于4时补偿效果越好.在相同大气相干长度条件下或在相同湍流折射率常量条件下,当谱指数接近于3时,Strehl比随热晕效应的增强而下降变快,当湍流谱指数逐渐接近于4时,Strehl比下降速度变慢.其原因是随着湍流谱指数的增大,湍流热晕相互作用引起的对数振幅起伏增长变慢.     

序列脉冲激光在不同大气模型下的热晕效应研究

考虑到大气中吸收系数随高度变化,通过内插法得到不同大气模型一定高度下大气的吸收系数,建立序列脉冲激光在地对空垂直传输的热晕模型。通过数值计算方法分析风场渡越时间内脉冲数为2时的序列脉冲在中纬度地区夏季和冬季、热带地区、近北极地区夏季和冬季5种大气模型下的热晕效应。结果表明:当光束孔径为0.25 m,初始功率为200 kW,波形为高斯状的激光束在近北极冬季传输10 km后沿横轴方向光强峰值偏移0.056 9 m,而热带光强峰值强度偏移最远为0.224 m,为近北极冬季时的4倍;脉冲激光在热带传输10 km后的靶面功率仅为15.06 kW,近北极冬季靶面功率为热带的10.5倍。热带地区的热晕效应最明显,中纬度地区次之,近北极地区最弱。激光在夏季传输要比冬季传输的热晕效应严重,而且近北极地区夏季要比中纬度地区冬季的热晕效应更严重。     

The Effect of Wind Directions on the Thermal Blooming of a Laser Beam Propagating in the Air

We investigate the effects of wind directions on the thermal blooming of a laser beam propagating in the air. We calculate the distributions and contours of the laser intensity for different wind directions and find that the thermal blooming for the laser propagating in the down-wind direction is weaker than that of the up-wind case.