飞秒激光穿越大气层传输特性的模拟研究

摘要

本论文主要对飞秒激光穿越地球大气层过程中的一些基本特性进行研究，尤其对斜入射时大气的蒙气差值和角色散值作了数值模拟；还着重对脉冲穿越大气过程中的展宽量作了分析和计算，并通过计算给出了50 km大气层的瑞利脉宽值；最后，分析了大气的吸收和散射对激光能量的衰减作用。研究内容对激光测距、太空垃圾清除、天体测量以及激光制导等方面的研究有较强的实际应用价值。论文的主要内容如下：
　　(1)采用Owens模型和相关数据拟合得到了大气温度、大气压强随海拔高度的变化规律，进而得到了大气折射率随海拔高度的变化公式。计算表明蒙气差和大气角色散均会随着入射天顶角的增加而增加，尤其是入射天顶角大于60°时，其增加变得非常迅速。而随着激光中心波长的增加，蒙气差值和大气角色散值减小。入射飞秒激光脉冲在非垂直发射条件下，穿越50 km大气层后，由角色散引起的横向光斑尺寸的增加量仅有2毫米，而衍射公式得到的光斑尺寸的增加为210 mm，导致光束横向尺寸增加的主要原因依然是光束的衍射效应。
　　(2)分析研究了飞秒脉冲穿越大气层过程中时域色散导致脉冲展宽的过程。由于大气的色散作用，以及斜入射时有效传输光程的增加，在大气中传输的飞秒激光脉冲的脉宽展宽量随入射天顶角的增加而增加随着飞秒脉冲中心波长的增加而减小。对于35 fs，800 nm中心波长的入射脉冲，垂直入射时的出射脉宽为14.07 ps，当入射天顶角为75°时，出射脉宽为54.45 ps，脉冲展宽量大约增加了4倍；而垂直入射时中心波长为1550 nm的飞秒脉冲出射脉宽为7.01 ps，其展宽量是中心波长为800 nm的飞秒脉冲展宽量的一半。
　　(3)同一入射天顶角下，无啁啾的初始脉冲在大气层中传输时，无啁啾的初始脉冲宽度越窄展宽量越大，随着无啁啾入射脉冲宽度的逐渐增加，对应的出射脉宽先减小后增大，经历一个不太明显的拐点，该拐点处所对应的脉宽即为最佳脉宽。计算得到了不同中心波长、不同入射天顶角情况下的瑞利脉宽值（该瑞利脉宽实际上即为最佳脉宽）。对于中心波长为800 nm,1064 nm和1550 nm的飞秒激光脉冲,垂直入射时的瑞利脉宽分别为：700 fs，605 fs和495 fs。随着入射天顶角的增加，瑞利脉宽也会增加。例如，对中心波长为800 nm的入射脉冲，入射天顶角为82.5°时瑞利脉宽约为垂直入射时的3倍左右。瑞利脉宽值随中心波长的增加而减小。
　　(4)估算了激光垂直入射情况下穿越50 km大气层后大气的透过率，计算结果表明，800、1064和1550 nm波长(处在大气窗口波段)的大气透过率要比1380 nm(处在非大气窗口波段)的大气透过率高至少一个数量级。

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第一章 引言

第一节 飞秒激光技术简介

第二节 飞秒激光的特点与应用

第三节 实验室飞秒激光系统简介

第四节 本论文的主要研究内容和创新点

第二章 大气角色散的理论分析与计算

第一节 大气折射率模型

第二节 大气折射模型及理论分析

第三节 蒙气差和大气角色散的影响因素

第四节 本章小结

第三章 大气层时域色散导致脉冲展宽的理论分析与计算

第一节 脉冲展宽的理论分析

第二节 出射脉宽的影响因素

第三节 瑞利脉宽的计算和影响因素

第四节 本章小结

第四章 大气衰减的理论分析与计算

第一节 大气衰减的理论分析

第二节 大气衰减的计算

第三节 本章小结

第五章 总结与展望

参考文献

致谢

个人简历 在学期间发表的学术论文与研究成果