围绕减小碎片靶面上光斑尺寸从而提高靶面光强的问题，采用解析方法研究了部分相干脉冲光（PCLP）在非均匀大气中的准稳态自聚焦效应对空间靶面光束质量的影响。推导出了PCLP从地面上行大气传输至空间轨道的束宽、曲率半径和实际焦距的解析表达式。研究表明，准稳态自聚焦效应会导致焦移，从而导致靶面光斑尺寸增大。指出采用准稳态和稳态修正焦距方法可以有效抑制准稳态自聚焦效应，从而减小碎片靶面光斑尺寸。推导出了PCLP的准稳态和稳态修正焦距的解析表达式，并给出了其适用条件。研究发现，采用准稳态修正方法能获得比稳态修正方法更小的靶面光斑尺寸，但稳态修正方法更易实现。

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。

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。

提出了一种利用激光阴影图像探测大气湍流中二维横向风矢量的方法,并开展了数值模拟和实验研究。通过移动无限长的相位屏模拟光传输路径上的横向风,采用基于归一化互相关原理的整像素搜索算法计算激光阴影的移动速度,并分析了路径上的横向风及其非均匀分布对激光阴影移动速度的影响。100 m长的激光阴影成像探测对比实验结果表明,在采样频率足够大时,激光阴影的移动速度与平均横向风速之间满足线性关系。超声风速仪的实测值与激光阴影法的拟合值相关系数达到0.949,这表明利用短曝光激光阴影图像获取路径的平均二维横向风矢量是可行的;且该方法能定量展现激光传输路径上大气湍流涡旋的发展和演化,对于大气湍流风场的遥感监测及相关工程应用具有重要的参考价值。

为了探究激光在自由高空湍流大气中传输的短曝光光斑特性,在云南高美古3200m的高海拔地区,选择远离下垫面的地势条件,开展了532nm固体激光1,2,3,4, 4.7km大气传输光斑成像探测实验。利用4000frame/s采样速率下的短曝光光斑数据,定性地描述了湍流大气中短曝光远场激光光斑的网纹状形态结构以及零星亮点的移动、消散和重构过程,并对激光光斑灰度值进行了定量的统计分析。结果表明:利用二维的光斑图像数据,可以较为方便地获得光强闪烁的孔径平均因子和理想的点闪烁指数,进而得到包括湍流强度和湍流内尺度在内的关键光学湍流参数;同时,也可对激光闪烁频谱、截止频率以及光斑的空间相关特性进行定量的判断。相关数据有助于研究高原或高空长程传输条件下的激光能量在目标靶面上的空间分布及其时间变化特性,为研究激光长程大气传输后光电系统的变化提供了一定的参考。

通过多层相位屏法, 针对海上大气环境做了大量激光传输数值仿真, 获 取了 2000 组激光初始参数、大气环境参数、大气光学参数与接收面处光场评价因子的仿真数据。基于支持向量机, 提出了一种激光大气传输效能评估方法。通过输入激光初始半径、激光初始功率、能见度、大气折射率结构常数等参数, 可以快速输出接收面处光斑半径、环围功率、环围功率比等光场评价因子, 实现对激光大气传输效能的评估。研究结果表明, 支持向量机能较好地拟合出输入与输出之间的多元回归关系, 预测结果与仿真数据之间的平均相对误差基本在 2%以下, 预测精度较高。研究结果可为激光在大气中传输效能评估提供一定的理论依据。

近地面激光大气传输中, 由于强湍流的影响, 畸变波前中存在相位涡旋, 使得自适应光学系统校正效果下降甚至失效。通过建立近地面激光大气传输模型, 分析了不同闪烁强度下畸变波前中相位涡旋分布特性, 以及自适应光学系统校正效果。针对近地面相位涡旋不能被有效校正的问题, 分析了波前畸变被完全复原时不同单元数变形镜对含相位涡旋波前畸变的校正效果。研究表明: 采用直接斜率法的自适应光学系统只能校正畸变波前中的连续相位, 不能校正相位涡旋组成的不连续相位; 含相位涡旋的波前畸变被有效复原后, 连续表面变形镜能够校正不连续相位, 现阶段限制自适应光学系统近地面校正效果的关键因素是波前畸变能否被有效复原。

采用多层相位屏的数值仿真方法,综合考虑大气衰减效应和湍流效应,研究了不同湍流强度和不同源相干度条件下超连续谱激光的光束扩展、光斑漂移以及闪烁特性,并对比分析了超连续谱激光传输与单色激光传输特性的差异.结果表明：湍流越强或源相干度越好,超连续谱激光的相对光束扩展越严重；湍流愈强,光斑漂移愈严重,但不同源相干度的超连续谱激光的质心漂移方差几乎相等；降低超连续谱激光的源相干度可以在一定程度上减弱光强起伏的闪烁效应,并降低闪烁指数对离轴距离的依赖性；与单色激光相比,湍流对超连续谱激光的光束扩展以及闪烁效应影响较弱,而质心漂移效应两者差异不明显.单色激光大气传输的数值仿真结果与理论解析结果基本吻合,在一定程度上说明了数值仿真过程的可靠性.该研究不仅提出了一种获得超连续谱激光大气传输特性规律的有效仿真手段,而且为超连续谱激光传输的工程应用提供参考.

利用激光大气传输四维程序数值模拟了激光在湍流大气中上行和下行传输时产生的相位奇点的变化过程。由模拟结果可知, 当光束自地面向空中垂直上行传输时, 相位奇点数密度随传输高度的变化有一个从无到有、从快速增加到缓慢增加、达到峰值后又减小的过程; 湍流越强, 畸变光场中产生的相位奇点数密度越大, 达到的峰值越高, 且达到峰值后减小的幅度也越大, 但达到峰值时对应的传输高度越低; 当激光自空中某一位置垂直下行传输时, 相位奇点数密度随传输距离的增加有一个从无到有、从缓慢增加到快速增加且在接近地平面处急剧增加的过程。另外, 通过对模拟结果的曲线拟合发现, 激光在湍流大气中上行传输时产生的相位奇点数密度与传输高度的关系符合黑体辐射公式; 当激光在湍流大气中下行传输时, 相位奇点数密度随传输距离的增加呈指数增加。

采用数值模拟的方法以高斯光束， 、平顶光束、有中心遮拦的平顶光束为例，研究了激光在均匀大气传输过程中产生的稳态热晕效应。详细分析了发射功率、传输距离、光束直径、横向风速四种参数对热晕效应的影响，得到了以上三种光束的斯特列尔比和峰值偏移量随广义热畸变参数N的变化关系。数值仿真结果表明，在其他参数一致的情况下，发射功率越大、传输距离越长，热晕效应越强；而光束直径和横向风速的增加会减小热晕效应；不同激光强度分布对热晕效应的影响不同。在同样广义热畸变参数N的条件下，高斯光束的热晕效应最严重，平顶光束次之，空心光束的热晕效应最小。