像差对激光大气传输闪烁特性影响的数值仿真研究

发布时间：2020-06-09 01:25

【摘要】：大气湍流和光学系统本身缺陷所引起的波前误差是影响激光大气传输的两大关键因素。本文采用多层相位屏的数值模拟方法,研究了在符合Kolmogorov谱分布的大气湍流中,系统典型单一像差和复合像差对聚焦高斯激光大气传输闪烁特性的影响规律。(1)根据Zernike多项式的波前分解法,构建了具有单一类型像差和复合像差的非理想聚焦高斯光束,实现了非理想光束在湍流大气中传输的数值仿真。(2)数值仿真了具有单一像差的高斯光束在湍流大气中传输的闪烁效应,获得了典型单一像差对激光大气传输闪烁的影响特征,研究表明:Z7像差对光斑轴闪烁具有最强的促进作用,像差权重a30.15,a70.3时均会造成闪烁饱和提前出现,Z4、Z8、Z11、Z13和Z24像差在ai0.3时会造成闪烁饱和延后出现。且所有单一像差引入均会使光斑轴闪烁达到闪烁峰值后的回落趋势减弱,甚至消失。光束能量扩散程度与Cn和ai呈正相关,除Z7像差外,对数光强起伏标准差也与Cn2和ai成正相关且在轴闪烁达到饱和之前达到一稳定峰值。对数光强分布偏斜度和陡峭度呈负相关变化,且始终满足γ1《0,γ2≥0,并随着湍流增强,光强越接近对数正态分布。(3)数值仿真了具有复合像差的高斯光束在湍流大气中传输的闪烁效应,获得了6种复合像差对激光大气传输闪烁的影响特征,研究表明:在弱湍流区,不同复合像差条件下,光斑轴闪烁指数随湍流强度变化的差异较小,但在中、强湍流区,其闪烁指数变化差异明显。6组复合像差对应的轴闪烁值均低于无初始波像差条件下的值,表现出对光斑闪烁一定程度的抑制作用。复合像差的引入同样会使光斑轴闪烁达到闪烁峰值后的回落趋势减弱。γ1和γ2也表现出负相关变化,并满足γ1《0,γ2≥0。复合像差效应对光强分布影响的差异并不明显。
【图文】：

示意图,湍流,不可压缩流体,动力学研究

对湍流介质随机起伏特性的深入了解有助于进一步探索湍流大气中光传播逡逑的湍流效应。人们对湍流的研宄虽已经有相当长的历史，但目前我们对湍流最逡逑基本的物理本质仍不甚清楚。原因在于湍流本身就是一个无比复杂的系统，它逡逑覆盖了相当大尺度范围的运动，人们所采用的解析法和综合法无法完全克服以逡逑上困难。因此，在研宄激光大气传输的湍流效应之前，首先有必要对光传播介逡逑质一一大气湍流及其光学统计性质做一个简要的介绍。正是由于大气中的复杂逡逑环境，导致大气折射率会随环境的温度、当地的压强、现时的风速和湿度等要逡逑素而改变，这些效应对激光大气传输轴闪烁、能量扩散等影响严重，同时也严逡逑重制约了激光的工程应用。逡逑２．１．１湍流概述逡逑湍流广义来讲是流体的一种状态。当流体的流动很慢时，流体流动分层，逡逑且层与层之间的物质没有融合或交换，此时谓之层流；当流体的运动速度得到逡逑持续增加，流体的流线出现不规律变化，变化的幅度和快慢正比于流体的流速，逡逑此时谓之过渡流；当流体流速持续增大到一定大小时，流线渐渐不清晰，甚至逡逑消失，此时流体中会产生小漩涡——涡流，层流现象消失，，层与层之间存在滑逡逑动、摩擦以及物质交换，此时流体发展为湍流。下图为湍流示意图［３７］：逡逑

激光大气传输,湍流效应,难点,涨落

激光大气传输的湍流效应逡逑宄激光大气传输主要有三大难点。第一是光波在广延随机介质中传播的逡逑非常复杂；第二是大气湍流作为传播介质同样也具有复杂的统计特征；最逡逑实验开展时实验环境难以控制，包括实验中湍流和气象条件的均匀性假设逡逑湍流冻结假设等，因此理论上的成果很难得到实验结果的完美支持。由于逡逑介质的随机性导致光场物理参量的随机性，且是高度相关的，因此物理参逡逑统计量常被作为描述和分析光波大气传输特性的研究对象。如结构函数、逡逑函数、频谱等。逡逑２．邋２．１高斯激光逡逑激光在现代科研生活、国防医疗中的应用发挥了举足轻重的作用。高斯光逡逑激光中常用的一种波形光束，其光束能量在光束传输方向的横截面内满足逡逑分布。均匀介质中延ｚ轴传输的基模高斯光场为［４８］逡逑Ｅｘ，，Ｚ＝邋Ｅ－ｅｘ－ｉｋ，邋－－±－＋２．１0
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN24

【参考文献】