强激光大气传输热晕数值模拟

摘要

随着激光技术的发展，高能激光在军用、民用等方面的作用越来越大。激光大气传输是一个相当复杂的过程，尤其是激光加热空气所引起的热晕，当强激光在大气中传输时，激光与大气发生非线性作用，造成了光束的畸变、扭曲、发散，影响了光束的质量，导致了强激光传输的不稳定性，限制了大气传输功率。因此详细研究激光束通过大气的传输规律，对于有效的应用高能激光，具有十分重要的意义。 本文介绍了强激光大气传输的特性，从麦克斯韦方程和流体力学方程出发，详细推导热晕涉及的近轴波动方程和等压近似下空气密度扰动方程，并计算了热晕效应中高能激光的功率阈值。详细分析了近轴波动方程和等压近似下空气密度扰动方程的数值算法，利用离散傅立叶变换方法数值计算了热晕方程，并在此基础上讨论了影响所致热晕大小的因素：激光功率、等效吸收系数、横向风速、高能激光传播的距离。

目录

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声明

第一章绪论

1.1研究的背景和意义

1.2热晕研究概况

1.2.1国外研究概况

1.2.2国内研究概况

1.3主要工作

第二章热晕的基本理论

2.1激光大气传输的线性效应

2.1.1大气折射

2.1.2大气吸收

2.1.3弹性散射

2.1.4大气湍流

2.2激光大气传输的非线性效应

2.2.1热晕

2.2.2受激喇曼散射

2.2.3大气击穿

2.3激光场波动方程

2.3.1电磁波动方程

2.1.2近轴光束的标量波动方程

2.4流体力学方程

2.4.1流体力学方程组

2.4.2瞬态热畸变效应

2.4.3等压近似下的热畸变效应

2.5结构(Lorenz)关系

2.6激光光束的数学描述

2.7热晕效应中高能激光的功率阈值估计

2.8热晕的主要物理特征

2.9本章小结

第三章热晕方程算法概述

3.1微扰法

3.2积分法

3.3相位屏法

3.3.1显示算法

3.3.2隐式算法

3.3.3交替算法

3.3.4分离变量法

3.3.5傅里叶变换法

3.4本章小结

第四章热晕方程的数值算法-傅里叶法

4.1标量波动方程数值计算

4.2数值模拟中参数的选取

4.2.1计算参数选取的要求

4.2.2热晕效应模拟中△x的选取要求

4.2.3数值分析

4.3流体力学方程的处理

4.4算法的验证

4.4.1与文献结果比较

4.4.2与微扰法结果比较

4.4.3与积分法结果比较

4.5本章小结

第五章热晕方程的数值模拟

5.1风速的影响

5.2距离的影响

5.3功率的影响

5.4吸收系数的影响

5.5 DF激光器数值模拟

5.6本章小结

第六章结束语

致谢

参考文献

研究成果