列阵平顶光束大气传输的热晕效应 下载: 1046次
1 引言
为了达到高功率系统、惯性约束聚变、高能**等在实际应用中所需的功率水平,列阵激光束被广泛应用[1-3]。相干合成(CBC)和非相干合成(IBC)是两种主要的光束合成方式。目前,关于列阵激光束在自由空间、大气湍流和海洋湍流中的传输特性已有大量研究[4-13]:文献[ 5-8]研究了列阵高斯光束、列阵高斯-谢尔模型光束、列阵厄米-高斯光束、列阵艾里光束等在自由空间中的传输;文献[ 9-12]研究了以上列阵光束在大气湍流中传输的方向性和闪烁;文献[ 13]研究了矩形分布的列阵高斯光束在海洋湍流中传输的平均光强,并对相干合成和非相干合成的情况进行了对比。
当一束高功率激光在大气中传输时,传输路径上的大气分子和气溶胶粒子会吸收一部分光束能量。吸收的能量会加热空气,使其折射率发生改变,进而使激光束波前发生畸变,这种非线性效应称为热晕效应。热晕效应严重限制了激光光束的传输功率。Gebhardt等[14]研究了激光大气传输近场稳态热晕的解析解。文献[ 15-16]用数值模拟的方法研究了热晕效应对一束高斯光束和截断高斯光束在大气中传输的影响。在某些研究和开发应用领域,能量不均匀分布会限制激光束的使用。1994年,Gori[17]首次提出了平顶高斯光束的概念。研究人员对列阵平顶光束在自由空间和大气湍流中的传输特性进行了大量研究[18-20]。迄今为止,热晕效应对列阵平顶光束大气传输的影响还未见报道。鉴于此,本文利用自行编制的含时四维仿真程序,将光束重心、峰值Strehl比、二阶矩束宽、传输效率作为光束质量评价参数,采用数值模拟方法研究热晕效应对相干合成和非相干合成的列阵平顶光束在大气中传输的影响,并对得到的结果给出物理解释。
2 理论模型
列阵平顶光束在源平面的光强分布
其中
式中:
基于傍轴近似下的波动方程和等压近似下的流体力学方程[22],利用相位屏法和快速离散傅里叶变换法,编制相干和非相干合成列阵平顶光束在大气中传输的含时四维仿真程序。特别地,在傍轴近似下,传输距离为
图 1. 列阵平顶光束在源平面上的光强分布。(a)三维分布; (b)二维分布
Fig. 1. Intensity distribution of flat-topped laser beam array at source plane. (a) 3D distribution; (b) 2D distribution
1)光束重心
式中:
2)峰值Strehl比
式中:
图 2. 一束平顶光束在源平面上x方向的光强分布
Fig. 2. Intensity distributions in x direction of a flat-topped beam at source plane
3)二阶矩束宽
式中:
4)传输效率
式中
3 数值模拟结果及分析
将一个焦距为
图 3. 相干合成列阵平顶光束在靶面上的光强分布。(a1)自由空间, N=1;(a2)自由空间, N=2;(a3)自由空间, N=10;(b1)大气中, N=1;(b2)大气中, N=2;(b3)大气中, N=10
Fig. 3. Intensity distributions of flat-topped laser beam array for coherent beam combination at target plane. (a1) In free space, N=1; (a2) in free space, N=2; (a3) in free space, N=10; (b1) in atmosphere, N=1; (b2) in atmosphere, N=2; (b3) in atmosphere, N=10
由
图 4. 非相干合成列阵平顶光束在靶面上的光强分布。(a1)自由空间, N=1;(a2)自由空间, N=2;(a3)自由空间, N=10;(b1)大气中, N=1;(b2)大气中, N=2;(b3)大气中, N=10
Fig. 4. Intensity distributions of flat-topped laser beam array for incoherent beam combination at target plane. (a1) In free space, N=1; (a2) in free space, N=2; (a3) in free space, N=10; (b1) in atmosphere, N=1; (b2) in atmosphere, N=2; (b3) in atmosphere, N=10
列阵平顶光束的束宽随阶数
4 结论
本课题组利用自行编制的含时四维仿真程序研究了热晕效应对相干合成和非相干合成列阵平顶光束在大气中传输的影响。研究表明:列阵平顶光束在大气中传输且存在横向风时,光斑呈月牙状。相干合成时,光斑内存在多个光强峰值,并且随着平顶光束阶数
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