热晕效应是影响高功率激光光束质量的重要因素之一，对这一效应进行合理的仿真，有利于高能激光的应用。针对目前模拟高能激光热晕效应的微扰法、积分法和相位屏法适用条件不清晰的问题，对三种数值模拟方法进行了系统的对比，并结合实验数据确定了每种方法最为合适的适用范围：广义畸变参数N<3时，选用积分法；3<N<4.8时，选用微扰法；N>4.8时，选用相位屏法。此外，利用可编程的液晶空间光调制器实现了热晕相位畸变的实验室模拟，得到的实验室模拟结果与数值仿真结果高度吻合。合理的数值模拟及实验室模拟对于强激光的实际应用具有重要的参考价值。

实际高能激光器(如半导体激光器、光谱合束系统)出射的激光存在椭圆分布的现象。高能激光在大气中传输时会遭遇非线性热晕效应，大气热晕效应对椭圆高斯光束传输特性的影响还未见报道。用解析和数值模拟方法研究了风控热晕下椭圆激光光束质量的优化问题，推导出了热畸变扭曲参数的解析公式，并证明了其正确性。研究表明：由于椭圆光束像散特性，大气热晕效应对其传输特性的影响与风向密切相关。当源平面处迎风方向的束宽越大(光斑面积相等)时，聚焦椭圆高斯光束受热晕效应的影响越弱，靶面光斑对称性越好，能量集中度越高，即靶面光束质量越好。因此，在实际工作中，聚焦椭圆高斯光束的短轴沿着大气的总体风向更有利于减弱热晕效应。并且，聚焦椭圆高斯光束达到稳态热晕的时间与源平面处沿风方向的束宽成正比。研究结论对高能激光大气传输的应用具有理论指导意义。

研究了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。结果表明:当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;非相干合成时,光斑内始终保持一个峰值;相对于列阵平顶光束的相干合成,非相干合成受热晕的影响较小;光束阶数N越大的列阵平顶光束受热晕的影响越小,即相对于列阵平顶光束,列阵高斯光束(N=1)受热晕的影响更大;光束传输效率在自由空间中随着N的增大而减小,在大气中则随着N的增大而增大;在大气中且功率相同时,列阵平顶光束的传输效率优于列阵高斯光束的传输效率。

引入全局敏感性分析方法,研究典型传输场景下113个输入参数的不确定性对热畸变参数(N_D)数值模型的影响。通过主效应检测将输入参数分为对N_D影响重要的参数和不重要的参数;把主效应检测筛选出的不重要参数固定后,采用基于方差的敏感性分析方法定量评估20个重要输入参数对N_D的影响。结果表明,低空大气参数的影响较大,它们既可以直接对N_D产生影响,也可以通过和其他参数相互作用对N_D产生影响;对N_D影响最重要的参数是低空大气吸收系数。所得结果能够指导实际工作中大气参数的测量和模式的构建。

采用高能激光大气传输四维仿真程序模拟计算了高功率固态激光在非Kolmogorov湍流大气中聚焦传输时的湍流与热晕效应。数值分析了接收平面处光斑的63.2%环围能量半径、光束质量因子随非Kolmogorov湍流谱指数α和传输起伏强度D/r₀的变化,比较了非Kolmogorov湍流与Kolmogorov湍流条件下激光传输结果的相对偏差。结果表明:非Kolmogorov湍流谱指数α越小,湍流效应和湍流热晕综合效应导致的光斑扩展越大,光束的能量集中度越低;已建立的描述聚焦高斯光束大气传输光束扩展的定标关系式在非Kolmogorov湍流条件下不再成立;在传输参数条件下,仅考虑湍流效应时,非Kolmogorov湍流与Kolmogorov湍流下光斑半径的相对偏差最大值可达87.7%,存在热晕时的最大相对偏差达43.7%,可见热晕降低了两种情况下传输结果的相对偏差。

针对序列长脉冲激光,提出了衡量序列长脉冲激光热晕效应强度的热畸变参数,建立了序列长脉冲激光热晕效应的数值仿真模型,并进行了实验验证。对比分析后发现实验结果与仿真结果在光斑形态和大小方面具有较好的一致性,从而验证了序列长脉冲激光热晕效应的数学物理模型及仿真算法的可靠性。在此基础上,通过改变大气参数及发射系统参数进行大量的数值仿真,得出由序列长脉冲激光热晕效应引起的光斑扩展与热畸变参数的定量关系,即序列长脉冲激光热晕效应的定标规律。

空间太阳能电站(SSPS)方案之一是采用激光束实现天-地能量传输。研究激光能量传输的可行性，需要对激光束穿过大气层的过程进行分析。理论分析并数据模拟了激光在大气层中传输的过程，分析了大气在不同高度处对激光的作用，计算了不同高度处的激光光强和分布，同时分析了相应的大气温度和折射率的变化规律。研究发现，利用激光实现大气层垂直方向上的能量传输，需要控制激光的功率密度在一定范围，以减小能量的损失，同时避免对大气产生明显影响。在一定传输功率下，可以通过增加光束口径来减小激光的功率密度。