风控热晕下复合贝塞尔高斯光束的模式串扰

采用多层相屏法和快速傅里叶变换法数值求解热晕方程,研究了复合贝塞尔高斯(cBG)光束大气传输过程中受热晕效应的影响。研究发现:由于热晕效应造成的光强和相位畸变,cBG光束会发生相位奇点移动和轨道角动量谱展宽,并产生模式串扰。当风速较小时,大气介质吸收激光产生的热效应较强,导致光束的模式串扰也较强。对于初始角量子数差值较大的cBG光束,其相对串扰能量较小,受热晕效应影响导致的模式串扰较弱。此外,还研究了旋转cBG光束的热晕效应,该光束的旋转特性使其在传输过程中四周都能得到均匀的扩展。因此,相较于非旋转cBG光束,旋转cBG光束的光强分布比更均匀,模式串扰更小。并且,随着旋转cBG光束的径向波数差值的增大,模式串扰减弱。综上,增大初始角量子数差值以及径向波数差值可以有效降低cBG光束的模式串扰。

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.

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。

风控热晕对双模涡旋光束大气传输的轨道角动量和相位奇异性的影响

本文研究了不同风向和风速下大气非线性热晕效应对双模涡旋光束轨道角动量(orbital angular momentum,OAM)和相位奇异性的影响.由于不同模式叠加的双模涡旋光束具有不同的对称性,热晕效应对其的影响不仅与风速有关,还与风向密切相关.研究发现:在一定风向角度下,风速越小,热晕效应越强,OAM值越大,即热晕效应促进了双模涡旋光束的OAM增大.因此,在一定风向以及风速下双模涡旋光束可以获得大于自由空间的OAM,并且大于单模涡旋光束的OAM.模式越高的光束需要更小的风速才能使得OAM值大于自由空间中的OAM值.此外,构成双模涡旋光束的两束子光束的拓扑荷数相差越大,不同风向下其OAM值越稳定.另一方面,还研究了风控热晕效应对线刃型位错奇点演化的影响,研究表明:线刃型位错线和风向垂直时,位错线消失;线刃型位错线和风向平行时,位错线始终存在;线刃型位错线和风向为钝角或锐角时,位错线演化为光学涡旋对.上述研究结果对激光大气传输和光通信领域具有理论指导意义.

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。

强激光大气传输稳态热晕效应研究

基于积分法研究了有风时强激光大气传输稳态热晕效应.推导了稳态热晕积分方程,分析并改进了高斯-勒让德积分法,使收敛速度提高近两倍,且畸变越大改进效果越显著.应用该算法计算了10.6μm激光的稳态热晕对远场光斑能量分布的影响,得到了较理想的结果.然后应用该算法对3.8μm激光的热晕效应进行了分析.结果表明,在其他参数不变情况下,发射功率越大,传输距离越远,光束畸变和波束扩展越大;而孔径的增加,会使热畸变效应减小,但孔径太大或太小均会导致到达目标的功率密度下降,有效光斑面积减小,且孔径的增大会增加系统实现的难度和成本.因此,合理选择发射孔径是系统设计的重要因素.

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。

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。

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,热晕对高能固体热容激光器大气传输影响不大。

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 k W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。

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0.25m,初始功率为200kW,波形为高斯状的激光束在近北极冬季传输10km后沿横轴方向光强峰值偏移0.056 9m,而热带光强峰值强度偏移最远为0.224m,为近北极冬季时的4倍;脉冲激光在热带传输10km后的靶面功率仅为15.06kW,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。

风速与风向对小尺度热晕不稳定性的影响

给出了两种特殊风向对小尺度热晕不稳定性扰动能量增长影响的实验及数值计算结果：当风向与扰动梯度方向平行时，风速对不稳定性有明显的抑制作用，而垂直于机动梯度方向的风则对热晕不稳定性没有影响。

热晕效应数值模拟中对计算参数的选取

根据数值计算的抽样原则,对激光大气传输数值模拟中如何准确地选取计算参数作了比较全面 的分析,导出计算参数选取所应遵循的判据。结合高斯光束及平台光束准直传输热畸变后的相位分布,得到了 网格间距与Bradley Hermann热畸变参数的关系。在算出此热畸变参数后,便可选定合适的网格间距,由数值 结果便能准确评价实际激光大气传输的效果。数值结果表明,相同网格数、不同网格间距下数值结果的差别相 对较大,若网格间距选取不当,将给数值结果带来较大误差。

强激光上行大气传输热晕效应导致的光束偏折研究

从激光大气传输热晕效应理论出发,提出了热畸变参数矢量模型概念,基于热畸变参数矢量模型,通过激光系统仿真软件EasyLaser,对激光上行远距离大气传输场景下光束偏折大小、偏折方向随矢量热畸变参数的变化规律进行了研究,结果表明,采用热晕效应热畸变参数矢量模型,光束偏折大小与矢量热畸变参数的模呈近线性增长,偏折方向与矢量热畸变参数的方向相反.基于光束偏折与矢量热畸变参数的规律,通过对光束传输路径上大气环境参数进行准实时测量,可为激光系统实际应用中光束偏置的预评估提供手段.

聚焦光束稳态热晕补偿实验

进行了聚焦光束稳态热晕效应及自适应光学补偿的室内模拟实验观测，获得了在不同热畸变参数情况下，自适应光学系统开闭环时光束远场Strehl比和信标光波前方差的测量结果。测量结果表明自适应光学对聚焦光束整束热晕的补偿效果是显著的。在热畸变参数Nd大于170时，校正剩余波前大差呈非线性增长。在热畸变参数N_d与光束菲涅耳数N_f的比值大于1时，校正后的远场光斑峰值强度随入射功率的增加开始呈下降趋势。

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。

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(ShackHartmann 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。