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强激光大气传输稳态热晕效应的研究

王新宽  
【摘要】: 当强激光在大气中传输时,会产生复杂的线性效应和非线性效应,热晕效应是其中最为重要的非线性效应。对热晕效应的研究能够有效促进强激光在军事和民用上的实际应用。 本文首先简述了热晕效应的发展现状和分类。从基本的电磁理论方程出发,推导了傍轴近似下的热晕方程,介绍了流体力学方程组和等压近似下的流体力学方程,这是应用数值算法计算热晕效应的基础。给出了出现热晕效应的功率阈值和热晕效应中重要的Bradley-Hermann热畸变参数。然后以稳态热晕效应为研究重点,讨论了有风和无风情况下准直、聚焦高斯波束稳态热晕效应的解析理论并进行了计算,结果表明热畸变参数越大,热晕效应越强。解析理论主要适用于热畸变参数较小的情形,对于畸变参数较大的情况,必须采用数值算法。介绍了计算热晕问题常用的数值算法,并重点讨论了积分算法:推导了有风情况下稳态热晕效应的积分方程、引入了二维求积的高斯-勒让德算法,对高斯-勒让德算法采用迭代求解的形式进行了改进,加快了收敛速度。应用该算法分别计算了10.6um、1.315um和3.8um激光的稳态热晕效应。计算结果表明,在其它参数一致的情况下,发射功率越大,传输距离越远,热晕效应越强;而孔径和风速的增加会减小热晕效应。此外,在近海面霾的情况下,1.315um激光的热晕效应要强于3.8um激光的热晕效应。随后分析了积分算法的适用性,介绍了热晕和湍流的相互作用问题。最后讨论了热晕效应的抑制措施及其研究趋势。本文的研究工作对强激光的工程应用具有一定的指导意义。


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