厄米-高斯光束及其列阵光束大气传输的热晕效应的研究

发布时间：2021-04-12 09:43

　　作为高能激光的重要应用,激光武器是一类正在迅速发展的新概念武器。然而高能激光在大气中传输时,热晕效应会对其光束质量造成严重破坏。实际工作中常遇到高阶模激光,直角坐标系中的高阶模激光通常由厄米多项式描述。而厄米-高斯（H-G）光束的热晕效应的研究还未见报道。由于单束激光器输出功率有限,对激光光束合成是实现更高功率输出的重要手段。因而研究H-G列阵光束的热晕效应具有非常重要的意义。高功率激光器产生的激光束通常具有复杂的多模结构,多模激光器相较于单模激光器会有更高的光-光转换效率,研究多模及其列阵光束的热晕效应对激光武器的应用具有指导意义。本论文的主要研究内容及结论包括:1.研究了热晕效应对H-G光束的大气传输特性的影响。推导出了H-G光束大气传输稳态热晕的光强和热晕扭曲参数的解析表达式,研究表明:相同功率情况下,H-G光束模式数越高,其热晕效应越弱。特别地,H-G光束的热晕效应比基模高斯（GS）光束的要弱。另一方面,自行编制了H-G光束通过大气传输的四维模拟仿真程序,并研究发现:热晕效应较强时,虽然H-G光束模式数越高其初始束宽越大,但由于热晕效应其到达靶面上束宽却越小。此外,H-G光束模... 

【文章来源】：四川师范大学四川省

【文章页数】：45 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

无风时高斯光束的热晕效应.（2）对流主导的热晕效应

2基础理论7到达稳态。热传导主导的热晕存在于无横向风或光束逆风扫描的传输路径中，通常把以热传导为主的传输区域叫做驻止区。假设一束连续的高能激光束在大气中沿着z方向传输。由于高斯激光束的光强为钟型分布，会使得传输轴上温度最高，折射率最小，形成一个等效负透镜，当光束再次通过介质时，由于负透镜的发散作用，其光强会呈现中心凹陷分布(见图2.1)。图2.1无风时高斯光束的热晕效应.（2）对流主导的热晕效应对流可分为自然对流和强迫对流。因为介质吸收激光能量导致的温度分布不均匀，使得介质热膨胀，形成密度梯度，冷空气向热空气区域流入，称为自然对流主导的热晕。通过大气风速的强迫对流转移介质吸收的能量的热晕效应，称为强迫对流主导的热晕。对于高能激光的大气传输，能量传输方式主要是大气风速的强迫对流。在以风主导的热晕中，移动的介质不能集中吸收激光束的能量，因此热传导是一个相对缓慢的过程，可以忽略。存在横向风时，介质中温度高的部分会沿横向风方向流动，使得光束来风方向的区域折射率变大，形成一个等效楔形棱镜，光束会向来风方向偏移(见图2.2)，靶面光斑呈月牙形(见图2.3)。图2.2有风时高斯光束的热晕效应.

四川师范大学硕士学位论文8图2.3热晕造成的典型光斑分布.2.1.2热晕方程的求解考虑到实际高能激光大气传输中的能量传输方式主要是大气风速的强迫对流，本文主要研究的是风主导的热晕。假如风以恒定速度v沿x轴正向，不考虑热传导，忽略掉方程(2.1.2)左边第二项。则风主导的热晕效应可由以下方程描述[21]：22220iknUUkUn+=,(2.1.4)xpcItvT+=,(2.1.5)0Tn=n+Tn.(2.1.6)如果能解析求解热晕方程，就能直接对热晕效应进行定性分析。为了解析求解稳态热晕，忽略掉方程(2.1.5)的含时项T/t。再对光场复振幅U=Aexp(ikS)采用几何光学近似(→0，k→，衍射效应可以忽略)，结合方程(2.1.4)可得[24]：()22S=n,(2.1.7)()22ASA+S=,(2.1.8)其中A为振幅，S为波前相位。基于以上处理方法，Gebhardt通过解析推导，得到了有风情况下的准直光束大气传输稳态热晕的光强表达式[24]：I(x,y,z)2200000011(,,0)expddddddzzxzzxzTpxnIIIIIIxyexzIzxzzncvxyIxIyy=+++.(2.1.9)


本文编号：3133084