激光大气传输热晕效应及自适应光学校正的数值仿真和实验研究
发布时间：2022-01-04 14:00
激光在大气中传输时,会与大气相互作用进而产生一系列线性效应和非线性效应。其中,热晕效应是激光大气传输非线性效应中较为严重一种,造成了光束的畸变、扭曲、发散。受到热晕效应的影响,激光在大气中的有效传输受到了严重的限制,并且导致了激光传输的不稳定性,进而影响了光束质量。所以,对热晕效应进行研究以及找到减小热晕效应的方法,对于激光的有效应用具有重大意义。自适应光学被证实对热晕效应产生的相位畸变具有较好的补偿效果。论文对热晕效应进行了理论研究和数值仿真研究,对热晕效应相位补偿的自适应光学技术进行了理论和实验研究。本文验证了通过自适应光学系统对激光大气传输热晕效应进行相位补偿的可行性。本文的主要研究内容包括:第一,介绍了大气的组成气体,重点总结了激光大气传输非线性热晕效应,阐述了热晕效应的产生机理、影响热晕效应的因素和热晕效应的分类,对有风条件下和无风条件下的热晕效应进行了简要分析。并且总结了减小热晕效应的一些方法。对激光大气传输线性效应进行了简要概述。第二,将傍轴近似下的光束波动方程与流体力学方程相结合,在做了一些化简后,得到了能够描述热晕效应的方程组。之后对布拉德利-赫尔曼（Bradley-...
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所)四川省
【文章页数】：148 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
校正与未校正光束焦平面峰值强度与输入功率之间的关系
3线要比未校正过的曲线焦平面处的光强增加了76%。图1.1校正与未校正光束焦平面峰值强度与输入功率之间的关系Figure1.1Peakfocal-planeintensityvs.inputpowerforcorrectedanduncorrectedbeams图1.2显示了一组焦平面处光束的图片，在最左侧的图片中我们可以观察到典型新月形的热晕光束，下一张图片是经过校正的光束，其尺寸有所减小只剩下一点新月形的痕迹[41]。为了进行对比，右侧的照片为低功率无热晕光束（椭圆形的形状是由于快门速度不足以冻结光束而导致的）。值得注意的是校正后的和未校正的热晕光束都相对于无热晕光束偏移到风向处，这是由于变形镜未进行倾斜校正导致的。该实验证实了利用变形镜对激光束进行相位补偿从而减小热晕效应的可行性。图1.2焦平面处受热晕效应影响的光束，经校正的光束，和无热晕光束的照片Figure1.2Actualphotographsofthebloomed,corrected,andunbloomedbeamsinthefocalplaneBernadetteJohnson对热晕相位补偿的不稳定性进行了实验研究[42]。她使用241通道的自适应光学系统对热晕进行相位补偿，观察到了明显的相位调制[43]。
4JonathanF.Schonfeld使用自适应光学系统对热晕效应产生的相位不稳定性进行校正，并且导出了不稳定增长率的一般方程，并讨论了近似解的方法[44]。美国林肯实验室研究热晕20多年的时间，其中最突出的就是开发了一套名为MOLLY的计算机仿真程序，针对大气湍流和热晕效应进行自适应相位补偿，该程序较为关注相位补偿不稳定性（Phase-compensationinstability,PCI）以及系统的鲁棒性，由于自适应光学系统和激光导致的大气加热之间的正反馈，PCI会导致自适应光学系统的硬件性能受到影响，MOLLY的仿真结果最后都在实验中得到了验证。MOLLY解决了撰写代码时想要解决的三个基本问题，（1）PCI是一种真实存在的物理现象，其行为符合预测分析，（2）旋转风和自然风会改变PCI，（3）PCI和良好的热晕校正可以共存。PCI的产生机制如图1.3所示[45]。（a）出射激光辐照中自然出现的强点和弱点会在大气中引起热区和冷区（分别由暗区和亮区表示）。波前传感器检测到信标的畸变波前中的谷值和峰值，这是由于信标光分别穿过相对较热和较冷的大气区域导致的。（b）变形镜通过对出射光束施加一个相位来补偿像差，该相位在热区下方有峰值，在冷区下方有谷值。因此，变形反射镜具有将出射光束聚焦到热区域的效果，使它们变得更热。同样，热区和冷区会使测得的信标相位失真。（c）这种畸变导致变形镜更难聚焦到热区。图1.3相位补偿不稳定性发生机制示意图Figure1.3Phase-compensationinstabilitymechanism美国华盛顿特区海军研究实验室E.A.McLean等借助于Mach-Zehnder干涉仪观察了在掺碘液的四氯化碳中与热晕效应有关的参数的变化[46]。韦恩州立大学的A.J.Glass研究了气体中的热晕现象，他认为气体中粒子的不均匀分布会极
【参考文献】：
期刊论文
[1]不同强度分布激光水平传输稳态热晕效应的数值模拟[J]. 吴书云,李新阳,罗曦. 光电工程. 2018(02)
[2]三维激光光路组件化仿真设计工具[J]. 谢晓钢,张建柱,罗文,岳玉芳. 计算机仿真. 2017(06)
[3]大气折射对可见光波段辐射传输特性的影响[J]. 胡帅,高太长,李浩,刘磊,程天际,张婷. 物理学报. 2015(18)
[4]基于变形镜本征模式法校正大气热晕的数值模拟[J]. 闫伟,陈志华,杜太焦,关奇. 光学学报. 2014(11)
[5]热晕效应模式法自适应光学校正的数值模拟[J]. 闫伟,陈志华,杜太焦,关奇. 光学学报. 2014(09)
[6]热晕效应位相补偿的数值模拟[J]. 闫伟,陈志华,杜太焦. 大气与环境光学学报. 2014(04)
[7]大气折射的原理性公式[J]. 张捍卫,栾军,雷伟伟. 地球物理学进展. 2014(02)
[8]聚焦光束热晕效应相位补偿定标规律研究[J]. 张鹏飞,范承玉,乔春红,马慧敏,张京会,王海涛,王英俭. 中国激光. 2012(02)
[9]对流风作用下的强激光热晕效应数值模拟研究[J]. 陈勇,郭隆德,张龙,金钢,姜春. 中国激光. 2010(06)
[10]稳态热晕非等晕效应的数值分析[J]. 孙运强,许晓军,习锋杰,陆启生,吴武明,郭少锋. 强激光与粒子束. 2010(02)
博士论文
[1]自适应光学技术在大气光通信中的应用研究[D]. 武云云.中国科学院研究生院（光电技术研究所） 2013
[2]典型天气大气辐射传输特性研究[D]. 顾吉林.大连海事大学 2012
[3]相位差波前探测技术及其在图像恢复中的应用研究[D]. 李斐.国防科学技术大学 2011
硕士论文
[1]地球及临边背景红外辐射特性研究[D]. 张中健.南京航空航天大学 2014
[2]强激光在大气中传输的热晕效应研究[D]. 姚友群.西安电子科技大学 2009
[3]强激光大气传输热晕数值模拟[D]. 常金勇.西安电子科技大学 2009
[4]气溶胶所致热晕的数值研究[D]. 税奇军.电子科技大学 2007
[5]大气折射率影响因素的研究[D]. 金群锋.浙江大学 2006
[6]天文大气折射的研究[D]. 穆军.中国科学院研究生院（云南天文台） 2004
本文编号：3568468
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所)四川省
【文章页数】：148 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
校正与未校正光束焦平面峰值强度与输入功率之间的关系
3线要比未校正过的曲线焦平面处的光强增加了76%。图1.1校正与未校正光束焦平面峰值强度与输入功率之间的关系Figure1.1Peakfocal-planeintensityvs.inputpowerforcorrectedanduncorrectedbeams图1.2显示了一组焦平面处光束的图片，在最左侧的图片中我们可以观察到典型新月形的热晕光束，下一张图片是经过校正的光束，其尺寸有所减小只剩下一点新月形的痕迹[41]。为了进行对比，右侧的照片为低功率无热晕光束（椭圆形的形状是由于快门速度不足以冻结光束而导致的）。值得注意的是校正后的和未校正的热晕光束都相对于无热晕光束偏移到风向处，这是由于变形镜未进行倾斜校正导致的。该实验证实了利用变形镜对激光束进行相位补偿从而减小热晕效应的可行性。图1.2焦平面处受热晕效应影响的光束，经校正的光束，和无热晕光束的照片Figure1.2Actualphotographsofthebloomed,corrected,andunbloomedbeamsinthefocalplaneBernadetteJohnson对热晕相位补偿的不稳定性进行了实验研究[42]。她使用241通道的自适应光学系统对热晕进行相位补偿，观察到了明显的相位调制[43]。
4JonathanF.Schonfeld使用自适应光学系统对热晕效应产生的相位不稳定性进行校正，并且导出了不稳定增长率的一般方程，并讨论了近似解的方法[44]。美国林肯实验室研究热晕20多年的时间，其中最突出的就是开发了一套名为MOLLY的计算机仿真程序，针对大气湍流和热晕效应进行自适应相位补偿，该程序较为关注相位补偿不稳定性（Phase-compensationinstability,PCI）以及系统的鲁棒性，由于自适应光学系统和激光导致的大气加热之间的正反馈，PCI会导致自适应光学系统的硬件性能受到影响，MOLLY的仿真结果最后都在实验中得到了验证。MOLLY解决了撰写代码时想要解决的三个基本问题，（1）PCI是一种真实存在的物理现象，其行为符合预测分析，（2）旋转风和自然风会改变PCI，（3）PCI和良好的热晕校正可以共存。PCI的产生机制如图1.3所示[45]。（a）出射激光辐照中自然出现的强点和弱点会在大气中引起热区和冷区（分别由暗区和亮区表示）。波前传感器检测到信标的畸变波前中的谷值和峰值，这是由于信标光分别穿过相对较热和较冷的大气区域导致的。（b）变形镜通过对出射光束施加一个相位来补偿像差，该相位在热区下方有峰值，在冷区下方有谷值。因此，变形反射镜具有将出射光束聚焦到热区域的效果，使它们变得更热。同样，热区和冷区会使测得的信标相位失真。（c）这种畸变导致变形镜更难聚焦到热区。图1.3相位补偿不稳定性发生机制示意图Figure1.3Phase-compensationinstabilitymechanism美国华盛顿特区海军研究实验室E.A.McLean等借助于Mach-Zehnder干涉仪观察了在掺碘液的四氯化碳中与热晕效应有关的参数的变化[46]。韦恩州立大学的A.J.Glass研究了气体中的热晕现象，他认为气体中粒子的不均匀分布会极
【参考文献】：
期刊论文
[1]不同强度分布激光水平传输稳态热晕效应的数值模拟[J]. 吴书云,李新阳,罗曦. 光电工程. 2018(02)
[2]三维激光光路组件化仿真设计工具[J]. 谢晓钢,张建柱,罗文,岳玉芳. 计算机仿真. 2017(06)
[3]大气折射对可见光波段辐射传输特性的影响[J]. 胡帅,高太长,李浩,刘磊,程天际,张婷. 物理学报. 2015(18)
[4]基于变形镜本征模式法校正大气热晕的数值模拟[J]. 闫伟,陈志华,杜太焦,关奇. 光学学报. 2014(11)
[5]热晕效应模式法自适应光学校正的数值模拟[J]. 闫伟,陈志华,杜太焦,关奇. 光学学报. 2014(09)
[6]热晕效应位相补偿的数值模拟[J]. 闫伟,陈志华,杜太焦. 大气与环境光学学报. 2014(04)
[7]大气折射的原理性公式[J]. 张捍卫,栾军,雷伟伟. 地球物理学进展. 2014(02)
[8]聚焦光束热晕效应相位补偿定标规律研究[J]. 张鹏飞,范承玉,乔春红,马慧敏,张京会,王海涛,王英俭. 中国激光. 2012(02)
[9]对流风作用下的强激光热晕效应数值模拟研究[J]. 陈勇,郭隆德,张龙,金钢,姜春. 中国激光. 2010(06)
[10]稳态热晕非等晕效应的数值分析[J]. 孙运强,许晓军,习锋杰,陆启生,吴武明,郭少锋. 强激光与粒子束. 2010(02)
博士论文
[1]自适应光学技术在大气光通信中的应用研究[D]. 武云云.中国科学院研究生院（光电技术研究所） 2013
[2]典型天气大气辐射传输特性研究[D]. 顾吉林.大连海事大学 2012
[3]相位差波前探测技术及其在图像恢复中的应用研究[D]. 李斐.国防科学技术大学 2011
硕士论文
[1]地球及临边背景红外辐射特性研究[D]. 张中健.南京航空航天大学 2014
[2]强激光在大气中传输的热晕效应研究[D]. 姚友群.西安电子科技大学 2009
[3]强激光大气传输热晕数值模拟[D]. 常金勇.西安电子科技大学 2009
[4]气溶胶所致热晕的数值研究[D]. 税奇军.电子科技大学 2007
[5]大气折射率影响因素的研究[D]. 金群锋.浙江大学 2006
[6]天文大气折射的研究[D]. 穆军.中国科学院研究生院（云南天文台） 2004
本文编号：3568468
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