强激光与粒子束
2023, 35(4): 041007
为快速预测和评估高能激光大气传输时湍流和热晕对光束扩展的影响，开展了激光大气传输光束扩展的定标规律研究。通过计算模拟光束扩展随大气特征参量和激光参数的变化规律，建立了含湍流和热晕综合效应的激光大气传输光束扩展的定标关系。由此定标关系可知，当激光的初始光束质量较差时，由衍射和湍流引起的光束扩展随发射系统口径与大气相干长度之比的增大而更快地增强。随着发射系统菲涅耳数的增大，光束扩展受热晕的影响也随之增强。所建立的定标关系适用于不同强度的湍流和热晕效应情况下对不同功率的激光光束扩展规律的快速预测和评估，可为激光系统的设计及优化提供参考。
光学学报
2022, 42(24): 2401008
四川师范大学物理与电子工程学院，四川 成都 610068
实际高能激光器(如半导体激光器、光谱合束系统)出射的激光存在椭圆分布的现象。高能激光在大气中传输时会遭遇非线性热晕效应，大气热晕效应对椭圆高斯光束传输特性的影响还未见报道。用解析和数值模拟方法研究了风控热晕下椭圆激光光束质量的优化问题，推导出了热畸变扭曲参数的解析公式，并证明了其正确性。研究表明：由于椭圆光束像散特性，大气热晕效应对其传输特性的影响与风向密切相关。当源平面处迎风方向的束宽越大(光斑面积相等)时，聚焦椭圆高斯光束受热晕效应的影响越弱，靶面光斑对称性越好，能量集中度越高，即靶面光束质量越好。因此，在实际工作中，聚焦椭圆高斯光束的短轴沿着大气的总体风向更有利于减弱热晕效应。并且，聚焦椭圆高斯光束达到稳态热晕的时间与源平面处沿风方向的束宽成正比。研究结论对高能激光大气传输的应用具有理论指导意义。
大气光学 大气传输 热晕效应 椭圆高斯光束 光束质量
1 四川师范大学物理与电子工程学院, 四川 成都 610101
2 四川大学物理科学与技术学院, 四川 成都 610064
研究了热晕效应对相干合成和非相干合成的列阵平顶光束在大气中传输的影响。结果表明:当列阵平顶光束在大气中传输且存在横向风时,光斑呈月牙状;相干合成时,光斑内存在多个光强峰值;非相干合成时,光斑内始终保持一个峰值;相对于列阵平顶光束的相干合成,非相干合成受热晕的影响较小;光束阶数N越大的列阵平顶光束受热晕的影响越小,即相对于列阵平顶光束,列阵高斯光束(N=1)受热晕的影响更大;光束传输效率在自由空间中随着N的增大而减小,在大气中则随着N的增大而增大;在大气中且功率相同时,列阵平顶光束的传输效率优于列阵高斯光束的传输效率。
物理光学 大气光学 热晕效应 列阵平顶光束 相干合成 非相干合成
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所中国科学院大气光学重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学研究生院科学岛分院, 安徽 合肥 230031
3 中国科学技术大学环境科学与光电技术学院, 安徽 合肥 230026
引入全局敏感性分析方法,研究典型传输场景下113个输入参数的不确定性对热畸变参数(ND)数值模型的影响。通过主效应检测将输入参数分为对ND影响重要的参数和不重要的参数;把主效应检测筛选出的不重要参数固定后,采用基于方差的敏感性分析方法定量评估20个重要输入参数对ND的影响。结果表明,低空大气参数的影响较大,它们既可以直接对ND产生影响,也可以通过和其他参数相互作用对ND产生影响;对ND影响最重要的参数是低空大气吸收系数。所得结果能够指导实际工作中大气参数的测量和模式的构建。
大气光学 敏感性分析 热晕效应 吸收系数 散射系数 光学学报
2018, 38(10): 1001001
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所大气光学重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 光电对抗测试评估技术重点实验室, 河南 洛阳 471003
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。
大气光学 光束扩展 数值模拟 非Kolmogorov湍流 热晕效应
中国科学院安徽光学精密机械研究所大气成分与光学重点实验室, 安徽 合肥 230031
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。
大气光学 定标规律 数值仿真 序列长脉冲激光 热晕效应 光学学报
2017, 37(10): 1001001
空间太阳能电站(SSPS)方案之一是采用激光束实现天-地能量传输。研究激光能量传输的可行性，需要对激光束穿过大气层的过程进行分析。理论分析并数据模拟了激光在大气层中传输的过程，分析了大气在不同高度处对激光的作用，计算了不同高度处的激光光强和分布，同时分析了相应的大气温度和折射率的变化规律。研究发现，利用激光实现大气层垂直方向上的能量传输，需要控制激光的功率密度在一定范围，以减小能量的损失，同时避免对大气产生明显影响。在一定传输功率下，可以通过增加光束口径来减小激光的功率密度。
激光光学 大气吸收系数 激光热晕效应 大气折射率分布 激光能量传输 激光与光电子学进展
2017, 54(4): 041404
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(Shack-Hartmann 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。
自适应光学 相关波前探测算法 噪声 热晕效应 位相补偿不稳定性 adaptive optics correlation wave-front sensing algorithm noise thermal blooming effect phase compensation instability 红外与激光工程
2016, 45(10): 1032001
中国科学院,安徽光学精密机械研究所,大气光学中心,安徽,合肥,230031
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.
热晕效应 数值模拟 计算参数 网格间距 Thermal blooming effect Numerical simulation Computing parameters Grid spacing
