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部分相干列阵激光束通过湍流大气的传输特性研究

李晓庆  
【摘要】: 光束合成因在高功率系统、惯性约束聚变和高能武器等方面的应用而日趋受到关注。另一方面,激光在湍流大气中传输是一个有重要理论和实际应用意义的课题。实际光束存在部分相干和高阶模情况。因此,研究部分相干高阶模列阵激光束通过湍流大气的传输特性是十分重要的。本论文主要研究内容如下: (1)采用瑞利区间zR和光束传输因子(M2因子)作为光束质量的评价参数,推导出了径向分布的高斯-谢尔模型(GSM)列阵光束zR和M2因子的解析表达式。研究表明:交叉谱密度叠加时比光强叠加时的径向分布的GSM列阵光束的zR更大,M2因子更小。与一束位于原点处的GSM光束比较,径向分布的GSM列阵光束具有更长的准直距离,但是却有更高的M2因子。 (2)研究了大气湍流对部分相干厄米-高斯(H-G)列阵光束传输特性的影响。推导出了部分相干H-G列阵光束在大气湍流中光强传输方程。研究表明:湍流导致光束扩展和最大峰值光强下降。但是,光束数目、光束模阶数、子光束间距越大和光束相干长度越小的部分相干H-G列阵光束的可聚焦能力受湍流影响越小。 (3)研究了列阵光束在湍流大气中的角扩展和方向性问题。推导出了GSM列阵光束和部分相干H-G列阵光束通过大气湍流传输的二阶矩束宽和角扩展θsp的表达式。研究表明:交叉谱密度叠加时,相干长度、束腰半径、光束数越小和子光束间距越大的列阵光束的角扩展θsp受大气湍流的影响越小。另一方面,采用角扩展作为方向性的评价参数,证明了在一定条件下部分相干H-G列阵光束与单束高斯光束在自由空间和湍流大气中均可具有相同的方向性。但是,由角扩展和归一化远场平均光强分布所表征的部分相干H-G列阵光束的方向性是不一致的,而湍流可以使得两种描述一致。 (4)采用湍流距离zT为参数,定量地研究了大气湍流对径向分布的GSM列阵光束扩展的影响。推导出了径向分布的GSM列阵光束的湍流距离zT的一般解析表达式。研究表明选择合适的列阵光束参数和光束合成方式可以减小湍流对径向分布的GSM列阵光束的影响。


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