高功率激光在非均匀大气中传输的自聚焦效应研究进展

地基激光空间碎片清除和利用激光辐射把转换的太阳能从空间轨道输运到地面等应用中,不可避免地遇到高功率激光在非均匀大气中的传输问题。由于激光功率已远远超过大气非线性自聚焦临界功率,大气自聚焦效应是影响光束质量的一个重要物理因素。概述了近年来国内外高功率激光在非均匀大气中上行或下行传输的自聚焦效应研究进展,主要介绍了高功率激光在非均匀大气中的传输模型、理论基础、数值和解析研究方法,着重介绍了自聚焦效应对激光传输特性和光束质量的影响,并总结了优化靶面光束质量的方案。此外,还介绍了大气群速度色散效应和大气湍流效应等物理因素对激光光束质量的影响。最后,还提出了该领域值得进一步深入研究的一些问题。

     

梯度折射率介质中高斯光束的非线性传输特性

利用无像差自聚焦理论研究了梯度折射率非线性Kerr介质中高斯光束的传输特性,得到了高斯光束光斑半径和波面曲率半径的表达式。解析结果清楚地表明了衍射、自聚焦以及梯度折射率效应之间的竞争对高斯光束传输行为的影响。梯度折射率效应使光束自聚焦的距离缩短。     

梯度折射率介质中高斯光束的非线性传输特性

 利用无像差自聚焦理论研究了梯度折射率非线性Kerr介质中高斯光束的传输特性,得到了高斯光束光斑半径和波面曲率半径的表达式。解析结果清楚地表明了衍射、自聚焦以及梯度折射率效应之间的竞争对高斯光束传输行为的影响。梯度折射率效应使光束自聚焦的距离缩短。     

复宗量双曲余弦高斯光束的束腰及其位置

 由复宗量双曲余弦高斯光束通过近轴-ABCD-光学系统传输公式，推导出了基于二阶矩定义的光斑尺寸的解析表达式，给出了复宗量双曲余弦高斯光束在自由空间传输和通过薄透镜时的光斑尺寸、束腰宽度及其位置的解析表达式，并进行了数值计算，对计算结果进行了分析和讨论，该方法可用于其它光束通过近轴ABCD光学系统的类似计算。     

湍流大气传输中跟踪抖动对远场影响的仿真研究

分析了跟踪抖动对湍流大气传输远场光斑的影响。基于麦克斯韦电磁场理论,采用大气相干长度对大气湍流进行描述,推导了发射光束因跟踪抖动导致光轴偏离的远场表达式。在此基础上,利用相位屏法模拟抖动引起的倾斜相位和大气折射率起伏引起的相位调制,并采用低频补偿的功率谱反演法对传输过程进行了数值仿真。分析了不同跟踪抖动、湍流强度条件下远场光斑质心脱靶量的变化,以及不同尺寸模拟目标的回波概率。分析结果表明,在传输距离为10 km时,强湍流造成的远场光斑脱靶量可达几十μrad;当跟踪抖动较大时,湍流强弱对脱靶量影响差别很小。最后,对一定尺寸的模拟目标,从探测回波概率的角度给出了发射系统跟踪抖动量的控制范围。     

湍流大气中漫射目标的平均强度和信噪比

基于广义惠更斯-菲涅尔原理,根据Rytov相位结构函数的二次近似,推导了湍流大气中漫射目标探测器表面的平均强度和信噪比的解析表达式。给出不同类型尺寸的漫射目标散射波经湍流大气传输在探测器表面的平均强度和信噪比,数值分析了不同目标尺寸、湍流强度、透镜大小对探测器表面平均强度和信噪比的影响。目标尺寸和透镜尺寸越大,信噪比越大;相反地,湍流越大,信噪比越小。     

超短强激光脉冲在大气传播中的自聚焦行为

通过建立涉及克尔效应和多光子电离效应的非线性数学模型,利用数值方法研究了超短激光脉冲在大气传播中的聚焦行为。结果表明由自聚焦导致的成丝现象具有间断,而不是一种稳态的模式。每次轴上的成丝都会由于光场损耗减弱,但同时由于克尔效应会使离轴区域的能量间断地补充到光轴上。     

不同能量下环形高斯强激光光束在空气中的非线性传输

以线性传输模型为对比研究了不同初始能量的环形光束在空气中的非线性传输。结果显示,在传输初始阶段,非线性克尔效应减弱了线性空间啁啾导致的聚焦作用。线性聚焦使能量向光轴方向流动导致强光强核心,在光轴附近生成类高斯脉冲结构,增强了非线性自聚焦效应,导致光强急剧增加形成光丝。环形光束的初始能量的大小能够影响自聚焦焦距、光丝长度和光强通量。自聚焦焦距随着初始脉冲能量的增加而减小,但自聚焦焦距与初始功率的开方不成反比（这点与高斯光束不同）。光丝长度随着初始脉冲能量的增加而增加。轴上光强通量随初始脉冲能量的增加而增加。     

不同能量下环形高斯强激光光束在空气中的非线性传输

以线性传输模型为对比研究了不同初始能量的环形光束在空气中的非线性传输。结果显示,在传输初始阶段,非线性克尔效应减弱了线性空间啁啾导致的聚焦作用。线性聚焦使能量向光轴方向流动导致强光强核心,在光轴附近生成类高斯脉冲结构,增强了非线性自聚焦效应,导致光强急剧增加形成光丝。环形光束的初始能量的大小能够影响自聚焦焦距、光丝长度和光强通量。自聚焦焦距随着初始脉冲能量的增加而减小,但自聚焦焦距与初始功率的开方不成反比（这点与高斯光束不同）。光丝长度随着初始脉冲能量的增加而增加。轴上光强通量随初始脉冲能量的增加而增加。     

大气湍流对多抖动法相干合成技术中相位调制信号的影响

分析了大气湍流对采用多抖动法实现的相干合成阵列光束中相位调制信号的影响. 文章首先根据广义惠更斯-菲涅耳原理,采用折射率结构函数对大气湍流进行描述,推导了多抖动法相干合成中阵列光束通过大气湍流后相位调制信号的一般表达式. 在此基础上进行数值模拟,分析了传输距离、湍流强度、光束阵列占空比和光斑尺寸等因素对相位调制信号的影响. 研究发现随着传输距离的增大,相位调制信号强度会先增大后减小,存在一个极大值点;随着湍流强度的增强,相位调制信号强度极大值点的出现距离不断缩短;当光束阵列占空比一定时,随着光斑尺寸的增大 关键词： 大气湍流 相干合成 多抖动法 相位调制     

啁啾脉冲高斯光束在大气湍流中的传输特性北大核心CSCD

基于广义惠更斯-菲涅耳原理,推导出啁啾脉冲高斯光束在湍流大气中传输的光谱解析表达式,并对解析表达式进行了数值仿真。结果表明:啁啾参数越大,光源谱宽越宽;当光源相对谱宽大于0.336时,轴上点光谱产生蓝移;湍流使得轴上点光谱的相对频移量减小,相对频移量随源光谱宽的增大而非线性增大;增大光束束腰半径可减小湍流对光谱频移、光束展宽的影响。     

Kerr非线性介质中聚焦像散高斯光束的传输特性

当高功率激光通过Kerr非线性介质传输时,Kerr效应会严重影响激光的传输特性.实际应用中常遇到像散光束.迄今为止,像散光束传输特性的研究大都局限于在线性介质中的传输,而在非线性介质中传输的研究较少,且还未涉及像散激光束通过含光学系统的Kerr非线性介质传输变换的研究.本文主要研究Kerr效应对聚焦光束像散特性和焦移特性的影响,以及聚焦像散高斯光束的自聚焦焦距和光束焦点调控.在光束扩展情况下,推导出了聚焦像散高斯光束在Kerr非线性介质中传输的束宽、束腰位置和焦移的解析公式,研究表明:在自聚焦介质中,随着自聚焦作用增强(如光束功率增强),光束像散越强,但焦移越小;在自散焦介质中,随着自散焦作用增强(如光束功率增强),光束像散越弱,但焦移越大.另一方面,在光束自聚焦情况下,推导出了自聚焦焦距的解析公式,研究表明利用光束像散可以调控光束焦点个数.     

靶结构对烧蚀模式激光推进效应影响的数值模拟

 强激光辐照于固体平面靶产生高温、高压等离子体喷射,进而对固体靶产生力学推进效应,这是烧蚀模式激光推进的基本原理。采用针对高温气体（等离子体）电离度的一种近似计算方法,以及具有五阶精度的广义Godunov差分格式-加权本质无振荡格式WENO（Weighted Essentially Non-Oscillatory Schemes）,对强激光烧蚀固体靶产生等离子体喷射推进效应进行数值模拟。计算了固体靶面横向尺寸与激光光斑大小对推进效应影响的耦合关系,以及不同靶面结构烧蚀压力随时间的变化及其推进效应参数变化。数值模拟结果表明,靶面横向尺寸与光斑大小具有最优耦合值;固体靶面增加约束喷管结构对激光推进效应明显增大,并且随着约束喷管位置的不同,对激光推进效应增大的影响也有较大差异。     

啁啾脉冲高斯光束在大气湍流中的传输特性

基于广义惠更斯-菲涅耳原理,推导出啁啾脉冲高斯光束在湍流大气中传输的光谱解析表达式,并对解析表达式进行了数值仿真。结果表明：啁啾参数越大,光源谱宽越宽;当光源相对谱宽大于0.336时,轴上点光谱产生蓝移;湍流使得轴上点光谱的相对频移量减小,相对频移量随源光谱宽的增大而非线性增大;增大光束束腰半径可减小湍流对光谱频移、光束展宽的影响。     

球形CdSe/ZnS核壳量子点的三阶极化率参量相关特征

在有效质量近似下,利用密度矩阵理论,采用无限深势阱模型,推导出了CdSe/ZnS核壳结构球形量子点的非线性光学中自聚焦效应的三阶极化率表达式。通过数值计算,分析了球形CdSe/ZnS核壳结构量子点的三阶极化率与量子点尺寸和入射光频率之间的关系。并对结果作出了必要的理论解释。     

光斑环围参量阵列测试法的测量不确定度

 为评定光斑环围参量（包括环围功率和环围尺寸）阵列测试法的测量不确定度,给出了环围参量一般形式的定义和连续形式的计算表达式,归纳并比较了阵列测试法下光斑环围参量的3种常用计算方法,即近似环围功率法、准确环围功率法和等效环围尺寸法,给出了零阶近似下环围参量离散形式的计算表达式。根据不确定度传递律,推导了基于等效环围尺寸法的环围参量测量不确定度的一般表达式,讨论了常见简化条件下的环围参量测量不确定度表达式。建立了光斑环围参量计算及其不确定度评定的一套较完整的方法。以强度为高斯分布的光斑为例,得到了简化条件下的环围参量测量不确定度的解析表达式,并用数值模拟法验证了其正确性。     

光斑环围参量阵列测试法的测量不确定度

为评定光斑环围参量（包括环围功率和环围尺寸）阵列测试法的测量不确定度,给出了环围参量一般形式的定义和连续形式的计算表达式,归纳并比较了阵列测试法下光斑环围参量的3种常用计算方法,即近似环围功率法、准确环围功率法和等效环围尺寸法,给出了零阶近似下环围参量离散形式的计算表达式。根据不确定度传递律,推导了基于等效环围尺寸法的环围参量测量不确定度的一般表达式,讨论了常见简化条件下的环围参量测量不确定度表达式。建立了光斑环围参量计算及其不确定度评定的一套较完整的方法。以强度为高斯分布的光斑为例,得到了简化条件下的环围参量测量不确定度的解析表达式,并用数值模拟法验证了其正确性。     

光斑矩参量阵列测试法的测量不确定度

为计算和评估光斑矩参量阵列测试法的测量不确定度,以光斑矩参量积分表达式为出发点,推导了零阶近似下光斑矩参量的离散表达式,初步分析了光强分布数据中单元位置及探测光功率的测量不确定度。在此基础上,根据不确定度传递律,推导了阵列测试法下光斑矩参量测量不确定度的一般表达式。进一步得到了数种常用简化条件下的矩参量不确定度表达式,并进行了相应的分析。由此建立了光斑矩参量计算及其不确定度评定的一套完整方法。利用简化公式,对自行研制的激光光斑分析仪和通用的CCD面阵探测器的光斑矩参量测量不确定度进行了分析,给出了计算表达式。     

发射系统遮拦比对均强聚焦光束光斑扩展的影响

 利用数值模拟方法讨论了发射系统遮拦比对均强聚焦光束湍流大气传输光斑扩展的影响。结果表明，对于均强聚焦光束湍流大气传输，在弱湍流效应条件下，光斑扩展受遮拦比影响较大；在较强湍流效应条件下，不同遮拦比光斑扩展变化趋势相同，此时远场光斑扩展主要还是受湍流效应强弱的影响。获得了常用遮拦比条件下均强聚焦光束光斑扩展和湍流效应特征参数的定标关系。     

基于阵列式探测器的高能激光大气传输试验与评估方法研究

对高能激光大气传输效应进行了理论分析,并结合数值算例定量分析了能见度和传输距离对到靶功率的影响。在此基础上,提出了一种基于阵列式探测器的高能激光大气传输试验与评估方法,给出了高能激光束到靶光斑参数的计算方法。研究结果能够用于测量高能激光通过大气传输后的激光功率密度时空分布,评估舰载高能激光武器大气传输能力,为未来开展高能激光武器外场试验奠定理论基础。