热晕瞬态效应的数值模拟

根据瞬态四维（４Ｄ）热晕程序，研究了激光大气传输中热晕瞬变效应及如何过渡到等压近似下的热晕状态，并与等压近似下４Ｄ热晕程序计算结果作了对比，在大约四倍流体力学时间，瞬态４Ｄ热晕程序计算结果逼近等压近似下的结果；另外，还作了相位补偿计算，对光强每平方厘米几千瓦的情况，在理想的自适应光学系统动力学条件下，瞬变阶段的热畸变能相当有效地实时补偿。     

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。     

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。     

非线性热晕效应自适应光学位相补偿

采用已建立的一套较完整的包括真实自适应光学位相补偿系统仿真的高能激光大气传输的数值模拟程序，对非线性热晕应相偿进行了计算。分析了非线性热晕效应位相补偿不稳定性的基本特征。     

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，而垂直优动梯度方向的风则对热晕不稳定性没有影响。     

计及风和湍流的热晕及其相位补偿的数值研究

本工作用包括热晕、湍流和风等效应的等压近似下四维激光传输程序，数值计算了激光大气传输中的整束热畸变效应及其理想相位补偿，得到了各种情况下的激光大气传输畸变图象，并分析了热晕和湍流的相互作用。另外，还讨论了时、空步长的选取原则。     

稳态热晕非等晕效应的数值分析

运用高斯光束展开的方法,分析圆对称平顶光束在大气传输中的热晕及其非等晕效应。通过对热晕及非等晕效应引起的波前畸变作泽尼克多项式展开,得到了各阶泽尼克系数,进而求得热晕校正残差,数值计算得到的热晕拟合校正残差与现有理论公式得到的结果基本一致。对非等晕效应的数值模拟结果表明:在热畸变参数较小,且给定口径尺寸的情况下,热晕角度非等晕校正残差与非等晕角θ的平方成正比,热晕聚焦非等晕校正残差与信标高度的1.71次幂成反比。     

热晕小尺度不稳定性的研究

报道了在实验条件下热晕小尺度不稳定性的研究结果，从实验及数值模拟两方面给出了光束质量Ｓｔｒｅｈｌ比，扰动积分能量的增长，各扰动谱项的能量竞争以及近场光斑半径随时间的变化。研究结果基本反映了热晕小尺度不稳定性的物理规律，实验测量与数值的结果具有较好的一致性。     

封闭通道浮力对流下阵列光束热晕效应分析

研究了高功率激光在封闭通道传输时,空气吸收激光能量引发的浮力对流对热晕效应的影响。建立了浮力对流下热晕效应的物理模型,采用数值计算方法分析了热传导和对流传热这两种影响光束质量的因素,发现浮力对流对封闭通道内热晕效应有削弱作用,并且会造成光束质心漂移。研究了不同排布方式下阵列光束的远场光斑形状、光束质量和光斑质心漂移。结果表明,阵列光束间相互作用下的浮力对流更强,对热晕效应的削弱作用更强,不同排布方式下不同位置处光束的情况不同,通过选择合适的排布方式可以找到优化的光束质量和质心漂移。验证了利用轴向风可以抑制热晕效应的方法,结果表明浮力对流的存在会促进热晕效应的减弱,当轴向风逐渐增大时,热晕逐渐被抑制,浮力对流的影响逐渐消失。     

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。     

掺镱双包层光纤激光器典型参数对斜线效率的影响

分析了双包层光纤激光器(DCFL)耦合方程的解析解，并对信号光散射损耗、后腔镜泵浦反射率等影响掺镱DCFL斜线效率的典型参数进行了理论研究。结果表明，斜线效率并不是随着后腔镜泵浦反射率的升高而单调增大，因为泵浦反射率的升高会影响光纤的最佳长度，从而降低斜线效率。所以在优化斜线效率时应该考虑到泵浦反射率和光纤最佳长度之间的匹配。同时，提高纤芯掺杂浓度、减小信号光散射损耗也能增大斜线效率。     

大气参数精度对激光传输预估结果的影响

 通过对不同情况下参数测量误差导致的到靶激光平均功率密度变化的统计,得到了大气参数精度对激光传输计算结果的影响。风速和气溶胶吸收系数测量误差主要来自热晕效应的影响,热晕越强,对计算结果的影响就越大。强热晕时,风速±(5%～8%)的误差可导致计算结果约±10%的误差;气溶胶吸收权重±(10%～20%)的误差可导致计算结果约 10%的误差。强湍流弱热晕时,大气相干长度±(5%～7%)的误差可导致计算结果约±10%的误差。     

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。     

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.     

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。     

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.     

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。     

The thermal blooming of high-energy beams from a solid-state heat-capacity laser in the atmosphere

Based on the one-aerosol model, we investigate the influence of thermal blooming on the propagation of solid-state heat-capacity laser (SSHCL) beams in atmosphere. By employing only this aerosol model and ignoring the diffraction and atmospheric turbulence, we evaluate the change in the average transmittance when the incident intensity and the propagation distance are changed. We conclude that the effect of thermal blooming on the propagation of SSHCL beams in the atmosphere is dependent on the incident intensity and the propagation distance. As the incident intensity and propagation distance increase, the influence of thermal blooming on the average transmittance strengthens. However, when the incident intensity is not strong enough, the incident intensity barely affects the average transmittance. PACS 42.65.Jx; 42.55.Rz; 42.68.Ay; 42.68.Jg