高能激光大气传输热晕效应分析

摘要

高能激光在大气中传输会产生一系列的线性和非线性效应，其中热晕是一种重要的非线性效应。热晕效应是指高能激光在大气传输时，大气中的分子和气溶胶粒子对激光能量的吸收，使大气受热膨胀，引起局部折射率减小，最终使高能激光光束能量降低，光斑变大，光束发生畸变。
　　 本文以高斯光束为例，数值模拟了高能激光在大气中传输的稳态和瞬态热晕效应，详细地分析了各种参数对热晕的影响，讨论了如何减小热晕效应对高能激光传输的影响。论文的主要工作：
　　 1.介绍了大气分子对不同波长激光束的吸收和散射特性，采用Modtran软件模拟了激光波长在1.1/μm-11.Oμm二氧化碳、水和臭氧中的透过率；并分析了采用波长为1O.6μm的高能激光比3.8μm传输效果要好的原因。
　　 2.从近轴波动传输方程，结合等压近似下空气密度扰动方程推导了二阶微分方程组，即热晕方程。计算了产生热晕效应的功率阈值。
　　 3.通过积分算法，差分算法和快速傅里叶变换等算法分析了近轴光束光传输方程和等压近似下流体力学方程的数值解法，并且分析了每种算法的优缺点。采用Sinpson积分算法对连续高能激光大气传输热晕效应进行了数值模拟，并将模拟的结果和国内外的参考文献相比，吻合程度较好。根据数值模拟的结果详细地讨论了激光功率、大气横向风速、激光发射口径、及激光传输距离对热晕效应的影响。
　　 4.以准直高斯光束为例，详细地分析了瞬态脉冲效应的扰动解。对单脉冲进行模拟计算得到的结果是：t3脉冲由于仅受到线性吸收的作用，使得其在大气传输中受到的热晕效应影响要比t脉冲小；对于两个长脉冲激光大气传输，脉冲重复数在0.7-2.0，其脉冲在靶面上的相对强度最大。

目录

文摘

英文文摘

第一章 引言

1.1 本课题研究背景和目的

1.2 国内外研究状况

1.3 本文的主要任务

1.4 本章小结

第二章 激光大气传输大气模型

2.1 大气分子对激光能量的吸收

2.1.1 大气分子对激光的吸收

2.1.2 气溶胶粒子对高能激光的吸收和散射

2.2 大气折射率的分布

2.3 本章小结

第三章 激光大气传输热晕方程的推导

3.1 激光传输方程的推导

3.1.1 麦克斯韦电磁理论

3.1.2 近轴光束标量波动传输方程

3.2 高能激光大气传输热晕效应功率阈值

3.3 热晕流体力学方程

3.3.1 激光束在稳定介质中密度变化的偏微分方程

3.3.2 均匀流动介质密度变化的微分方程

3.4 布雷德力—赫尔曼(Bradley-Hermann)热晕畸变数

3.5 本章小结

第四章 稳态热晕效应数值分析

4.1 高能激光大气传输稳态热晕效应数值解算法

4.1.1 稳态热晕效应方程的积分表示

4.1.2 稳态热晕效应方程差分算法

4.1.3 傅里叶变换算法

4.2 数值计算中参数的选取

4.3 连续高能激光热晕效应的数值模拟

4.3.1 激光功率对热晕效应的影响

4.3.2 大气风速对热晕效应的影响

4.3.3 高能激光传输距离对热晕效应的影响

4.3.3 高能激光光束半径对热晕效应的影响

4.4 本章小结

第五章 瞬态热晕效应数值分析

5.1 单脉冲高能激光大气传输热晕效应

5.1.1 长脉冲高能激光大气传输热晕效应

5.1.2 短脉冲高能激光大气传输热晕效应

5.1.3 长短脉冲热晕效应数值模拟

5.2 序列脉冲高能激光大气传输热晕效应

5.2.1 序列脉冲热晕效应

5.2.2 两个脉冲热晕效应的数值模拟

第六章 结束语

6.1 本文工作总结

6.2 工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间的研究成果