【摘要】：大氣湍流和光學(xué)系統(tǒng)本身缺陷所引起的波前誤差是影響激光大氣傳輸?shù)膬纱箨P(guān)鍵因素。本文采用多層相位屏的數(shù)值模擬方法,研究了在符合Kolmogorov譜分布的大氣湍流中,系統(tǒng)典型單一像差和復(fù)合像差對(duì)聚焦高斯激光大氣傳輸閃爍特性的影響規(guī)律。(1)根據(jù)Zernike多項(xiàng)式的波前分解法,構(gòu)建了具有單一類型像差和復(fù)合像差的非理想聚焦高斯光束,實(shí)現(xiàn)了非理想光束在湍流大氣中傳輸?shù)臄?shù)值仿真。(2)數(shù)值仿真了具有單一像差的高斯光束在湍流大氣中傳輸?shù)拈W爍效應(yīng),獲得了典型單一像差對(duì)激光大氣傳輸閃爍的影響特征,研究表明:Z7像差對(duì)光斑軸閃爍具有最強(qiáng)的促進(jìn)作用,像差權(quán)重a30.15,a70.3時(shí)均會(huì)造成閃爍飽和提前出現(xiàn),Z4、Z8、Z11、Z13和Z24像差在ai0.3時(shí)會(huì)造成閃爍飽和延后出現(xiàn)。且所有單一像差引入均會(huì)使光斑軸閃爍達(dá)到閃爍峰值后的回落趨勢減弱,甚至消失。光束能量擴(kuò)散程度與Cn和ai呈正相關(guān),除Z7像差外,對(duì)數(shù)光強(qiáng)起伏標(biāo)準(zhǔn)差也與Cn2和ai成正相關(guān)且在軸閃爍達(dá)到飽和之前達(dá)到一穩(wěn)定峰值。對(duì)數(shù)光強(qiáng)分布偏斜度和陡峭度呈負(fù)相關(guān)變化,且始終滿足γ1《0,γ2≥0,并隨著湍流增強(qiáng),光強(qiáng)越接近對(duì)數(shù)正態(tài)分布。(3)數(shù)值仿真了具有復(fù)合像差的高斯光束在湍流大氣中傳輸?shù)拈W爍效應(yīng),獲得了6種復(fù)合像差對(duì)激光大氣傳輸閃爍的影響特征,研究表明:在弱湍流區(qū),不同復(fù)合像差條件下,光斑軸閃爍指數(shù)隨湍流強(qiáng)度變化的差異較小,但在中、強(qiáng)湍流區(qū),其閃爍指數(shù)變化差異明顯。6組復(fù)合像差對(duì)應(yīng)的軸閃爍值均低于無初始波像差條件下的值,表現(xiàn)出對(duì)光斑閃爍一定程度的抑制作用。復(fù)合像差的引入同樣會(huì)使光斑軸閃爍達(dá)到閃爍峰值后的回落趨勢減弱。γ1和γ2也表現(xiàn)出負(fù)相關(guān)變化,并滿足γ1《0,γ2≥0。復(fù)合像差效應(yīng)對(duì)光強(qiáng)分布影響的差異并不明顯。
【圖文】：

對(duì)湍流介質(zhì)隨機(jī)起伏特性的深入了解有助于進(jìn)一步探索湍流大氣中光傳播逡逑的湍流效應(yīng)。人們對(duì)湍流的研宄雖已經(jīng)有相當(dāng)長的歷史，但目前我們對(duì)湍流最逡逑基本的物理本質(zhì)仍不甚清楚。原因在于湍流本身就是一個(gè)無比復(fù)雜的系統(tǒng)，它逡逑覆蓋了相當(dāng)大尺度范圍的運(yùn)動(dòng)，人們所采用的解析法和綜合法無法完全克服以逡逑上困難。因此，在研宄激光大氣傳輸?shù)耐牧餍?yīng)之前，首先有必要對(duì)光傳播介逡逑質(zhì)一一大氣湍流及其光學(xué)統(tǒng)計(jì)性質(zhì)做一個(gè)簡要的介紹。正是由于大氣中的復(fù)雜逡逑環(huán)境，導(dǎo)致大氣折射率會(huì)隨環(huán)境的溫度、當(dāng)?shù)氐膲簭?qiáng)、現(xiàn)時(shí)的風(fēng)速和濕度等要逡逑素而改變，這些效應(yīng)對(duì)激光大氣傳輸軸閃爍、能量擴(kuò)散等影響嚴(yán)重，同時(shí)也嚴(yán)逡逑重制約了激光的工程應(yīng)用。逡逑２．１．１湍流概述逡逑湍流廣義來講是流體的一種狀態(tài)。當(dāng)流體的流動(dòng)很慢時(shí)，流體流動(dòng)分層，逡逑且層與層之間的物質(zhì)沒有融合或交換，此時(shí)謂之層流；當(dāng)流體的運(yùn)動(dòng)速度得到逡逑持續(xù)增加，流體的流線出現(xiàn)不規(guī)律變化，變化的幅度和快慢正比于流體的流速，逡逑此時(shí)謂之過渡流；當(dāng)流體流速持續(xù)增大到一定大小時(shí)，流線漸漸不清晰，甚至逡逑消失，此時(shí)流體中會(huì)產(chǎn)生小漩渦——渦流，層流現(xiàn)象消失，，層與層之間存在滑逡逑動(dòng)、摩擦以及物質(zhì)交換，此時(shí)流體發(fā)展為湍流。下圖為湍流示意圖［３７］：逡逑

激光大氣傳輸?shù)耐牧餍?yīng)逡逑宄激光大氣傳輸主要有三大難點(diǎn)。第一是光波在廣延隨機(jī)介質(zhì)中傳播的逡逑非常復(fù)雜；第二是大氣湍流作為傳播介質(zhì)同樣也具有復(fù)雜的統(tǒng)計(jì)特征；最逡逑實(shí)驗(yàn)開展時(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境難以控制，包括實(shí)驗(yàn)中湍流和氣象條件的均勻性假設(shè)逡逑湍流凍結(jié)假設(shè)等，因此理論上的成果很難得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果的完美支持。由于逡逑介質(zhì)的隨機(jī)性導(dǎo)致光場物理參量的隨機(jī)性，且是高度相關(guān)的，因此物理參逡逑統(tǒng)計(jì)量常被作為描述和分析光波大氣傳輸特性的研究對(duì)象。如結(jié)構(gòu)函數(shù)、逡逑函數(shù)、頻譜等。逡逑２．邋２．１高斯激光逡逑激光在現(xiàn)代科研生活、國防醫(yī)療中的應(yīng)用發(fā)揮了舉足輕重的作用。高斯光逡逑激光中常用的一種波形光束，其光束能量在光束傳輸方向的橫截面內(nèi)滿足逡逑分布。均勻介質(zhì)中延ｚ軸傳輸?shù)幕８咚构鈭鰹椋郏矗福蒎义希牛�，，Ｚ＝邋Ｅ－ｅｘ－ｉｋ，邋－�?#177;－＋２．１0
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TN24

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2703960