湍流对部分相干双曲余弦高斯列阵光束扩展和光束传输因子的影响

论文摘要

激光束在大气湍流中的传输理论及实验研究,对于激光通讯、激光测距、激光雷达以及激光武器等领域的应用有着重要的意义。近年来,激光列阵合成技术由于在高功率系统、惯性约束聚变和高能武器等方面的应用也越来越受到人们的关注。而实际激光束存在部分相干情况。因此,研究部分相干列阵光束在大气湍流中的传输特性是十分有意义的。本文研究了湍流对部分和完全相干双曲余弦高斯(ChG)列阵光束扩展和光束传输因子的影响。主要内容总结如下:1.研究了ChG列阵激光束通过大气湍流传输的角扩展及方向性。利用积分变换技巧推导出了ChG列阵光束通过大气湍流传输的二阶矩束宽和角扩展的解析公式,给出了ChG列阵光束与一束高斯光束具有相同角扩展的条件。研究表明:相干合成的ChG列阵光束的角扩展比非相干合成的小,但是,非相干合成的ChG列阵光束的角扩展受湍流影响比相干合成的小。此外,相干合成的ChG列阵光束的角扩展随离心参数,束腰宽度和相对子光束间距的变化均出现振荡,但湍流中的振荡减弱。非相干合成的ChG列阵光束的角扩展与相对子光束间距和光束数目无关。2.采用湍流距离(湍流距离是指大气湍流导致的光束横截面积扩展达10%时光束的传输距离)定量地研究了湍流对部分相干ChG列阵光束扩展的影响。基于广义惠更斯—菲涅耳原理,采用Rytov相位结构函数二次近似和积分变换技巧,推导出了部分相干ChG列阵光束通过大气湍流传输时湍流距离的表达式。详细研究了部分相干ChG列阵光束的湍流距离随着大气湍流强度、光束参数(即子光束数,光束相干参数,离心参数,相对子光束间距)以及光束叠加方式(即交叉谱密度函数叠加和光强叠加)的变化情况。研究表明:部分相干ChG列阵光束的光束扩展会随着大气湍流强度的增大而增大,但是当选择合适的光束参数以及光束叠加方式时,可以减小湍流对部分相干ChG列阵光束扩展的影响。3.采用光束传输因子(M~2因子)作为光束质量的评价参数,研究了ChG列阵光束通过大气湍流传输的M~2因子。利用Rytov相位结构函数二次近似和积分变换技巧推导出了ChG列阵光束在大气湍流中传输的M~2因子的解析公式,并采用相对M~2因子研究了湍流对M~2因子的影响。研究表明:在大气湍流中M~2因子不再是一个传输不变量,湍流使得M~2因子增大。非相干合成情况下,M~2因子随着传输距离、离心参数、相对子光束间距和子光束数目的增大而增大。相干合成情况下,M~2因子随离心参数和相对子光束间距的增大呈现振荡上升。相干合成情况下的M~2因子比非相干合成的要小。然而,非相干合成情况下的M~2因子受湍流影响比相干合成的要小。特别地,相干合成情况下,选取适当的相对子光束间距可以减小湍流对M~2因子的影响。此外,随着子光束数目的增大,相干合成的M~2因子受湍流影响增大,而非相干合成的M~2因子受湍流影响减小。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 引言
• 1.1 研究背景及意义
• 1.1.1 激光束通过大气湍流的传输
• 1.1.2 合成激光束
• 1.1.3 双曲余弦高斯光束
• 1.2 国内外研究现状分析
• 1.3 本论文研究内容
• 1.4 本论文各章节安排
• 第二章 基础理论
• 2.1 激光束合成
• 2.1.1 相干合成和非相干合成
• 2.1.2 交叉谱密度叠加和光强叠加
• 2.2 激光光束在大气湍流中的传输
• 2.2.1 大气湍流的描述
• 2.2.2 大气湍流的折射率起伏功率谱函数
• 2.2.3 激光在大气湍流中传输的研究方法
• 2.3 光束质量的评价参数
• 第三章 双曲余弦高斯列阵光束通过大气湍流的角扩展及方向性
• 3.1 角扩展
• 3.1.1 相干合成
• 3.1.2 非相干合成
• 3.2 方向性
• 3.3 数值计算结果及分析
• 3.4 结论
• 第四章 部分相干双曲余弦高斯列阵光束的湍流距离
• 4.1 湍流距离
• 4.1.1 交叉谱密度叠加
• 4.1.2 光强叠加
• 4.2 数值计算结果及分析
• 4.3 结论
• 第五章 双曲余弦高斯列阵光束通过大气湍流的光束传输因子
• 5.1 理论公式
• 5.2 数值计算结果及分析
• 5.3 结论
• 第六章 主要结论﹑创新点
• 6.1 主要结论
• 6.2 主要创新点
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间的科研成果