激光在大氣中傳輸時,會與大氣相互作用進而產(chǎn)生一系列線性效應(yīng)和非線性效應(yīng)。其中,熱暈效應(yīng)是激光大氣傳輸非線性效應(yīng)中較為嚴(yán)重一種,造成了光束的畸變、扭曲、發(fā)散。受到熱暈效應(yīng)的影響,激光在大氣中的有效傳輸受到了嚴(yán)重的限制,并且導(dǎo)致了激光傳輸?shù)牟环�(wěn)定性,進而影響了光束質(zhì)量。所以,對熱暈效應(yīng)進行研究以及找到減小熱暈效應(yīng)的方法,對于激光的有效應(yīng)用具有重大意義。自適應(yīng)光學(xué)被證實對熱暈效應(yīng)產(chǎn)生的相位畸變具有較好的補償效果。論文對熱暈效應(yīng)進行了理論研究和數(shù)值仿真研究,對熱暈效應(yīng)相位補償?shù)淖赃m應(yīng)光學(xué)技術(shù)進行了理論和實驗研究。本文驗證了通過自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)對激光大氣傳輸熱暈效應(yīng)進行相位補償?shù)目尚行�。本文的主要研究�?nèi)容包括:第一,介紹了大氣的組成氣體,重點總結(jié)了激光大氣傳輸非線性熱暈效應(yīng),闡述了熱暈效應(yīng)的產(chǎn)生機理、影響熱暈效應(yīng)的因素和熱暈效應(yīng)的分類,對有風(fēng)條件下和無風(fēng)條件下的熱暈效應(yīng)進行了簡要分析。并且總結(jié)了減小熱暈效應(yīng)的一些方法。對激光大氣傳輸線性效應(yīng)進行了簡要概述。第二,將傍軸近似下的光束波動方程與流體力學(xué)方程相結(jié)合,在做了一些化簡后,得到了能夠描述熱暈效應(yīng)的方程組。之后對布拉德利-赫爾曼（Bradley-... 

【文章來源】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所)四川省

【文章頁數(shù)】：148 頁

【學(xué)位級別】：博士

【部分圖文】：

校正與未校正光束焦平面峰值強度與輸入功率之間的關(guān)系

3線要比未校正過的曲線焦平面處的光強增加了76%。圖1.1校正與未校正光束焦平面峰值強度與輸入功率之間的關(guān)系Figure1.1Peakfocal-planeintensityvs.inputpowerforcorrectedanduncorrectedbeams圖1.2顯示了一組焦平面處光束的圖片，在最左側(cè)的圖片中我們可以觀察到典型新月形的熱暈光束，下一張圖片是經(jīng)過校正的光束，其尺寸有所減小只剩下一點新月形的痕跡[41]。為了進行對比，右側(cè)的照片為低功率無熱暈光束（橢圓形的形狀是由于快門速度不足以凍結(jié)光束而導(dǎo)致的）。值得注意的是校正后的和未校正的熱暈光束都相對于無熱暈光束偏移到風(fēng)向處，這是由于變形鏡未進行傾斜校正導(dǎo)致的。該實驗證實了利用變形鏡對激光束進行相位補償從而減小熱暈效應(yīng)的可行性。圖1.2焦平面處受熱暈效應(yīng)影響的光束，經(jīng)校正的光束，和無熱暈光束的照片F(xiàn)igure1.2Actualphotographsofthebloomed,corrected,andunbloomedbeamsinthefocalplaneBernadetteJohnson對熱暈相位補償?shù)牟环�(wěn)定性進行了實驗研究[42]。她使用241通道的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)對熱暈進行相位補償，觀察到了明顯的相位調(diào)制[43]。

4JonathanF.Schonfeld使用自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)對熱暈效應(yīng)產(chǎn)生的相位不穩(wěn)定性進行校正，并且導(dǎo)出了不穩(wěn)定增長率的一般方程，并討論了近似解的方法[44]。美國林肯實驗室研究熱暈20多年的時間，其中最突出的就是開發(fā)了一套名為MOLLY的計算機仿真程序，針對大氣湍流和熱暈效應(yīng)進行自適應(yīng)相位補償，該程序較為關(guān)注相位補償不穩(wěn)定性（Phase-compensationinstability,PCI）以及系統(tǒng)的魯棒性，由于自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)和激光導(dǎo)致的大氣加熱之間的正反饋，PCI會導(dǎo)致自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的硬件性能受到影響，MOLLY的仿真結(jié)果最后都在實驗中得到了驗證。MOLLY解決了撰寫代碼時想要解決的三個基本問題，（1）PCI是一種真實存在的物理現(xiàn)象，其行為符合預(yù)測分析，（2）旋轉(zhuǎn)風(fēng)和自然風(fēng)會改變PCI，（3）PCI和良好的熱暈校正可以共存。PCI的產(chǎn)生機制如圖1.3所示[45]。（a）出射激光輻照中自然出現(xiàn)的強點和弱點會在大氣中引起熱區(qū)和冷區(qū)（分別由暗區(qū)和亮區(qū)表示）。波前傳感器檢測到信標(biāo)的畸變波前中的谷值和峰值，這是由于信標(biāo)光分別穿過相對較熱和較冷的大氣區(qū)域?qū)е碌摹＃╞）變形鏡通過對出射光束施加一個相位來補償像差，該相位在熱區(qū)下方有峰值，在冷區(qū)下方有谷值。因此，變形反射鏡具有將出射光束聚焦到熱區(qū)域的效果，使它們變得更熱。同樣，熱區(qū)和冷區(qū)會使測得的信標(biāo)相位失真。（c）這種畸變導(dǎo)致變形鏡更難聚焦到熱區(qū)。圖1.3相位補償不穩(wěn)定性發(fā)生機制示意圖Figure1.3Phase-compensationinstabilitymechanism美國華盛頓特區(qū)海軍研究實驗室E.A.McLean等借助于Mach-Zehnder干涉儀觀察了在摻碘液的四氯化碳中與熱暈效應(yīng)有關(guān)的參數(shù)的變化[46]。韋恩州立大學(xué)的A.J.Glass研究了氣體中的熱暈現(xiàn)象，他認(rèn)為氣體中粒子的不均勻分布會極

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]不同強度分布激光水平傳輸穩(wěn)態(tài)熱暈效應(yīng)的數(shù)值模擬[J]. 吳書云,李新陽,羅曦.  光電工程. 2018(02)
[2]三維激光光路組件化仿真設(shè)計工具[J]. 謝曉鋼,張建柱,羅文,岳玉芳.  計算機仿真. 2017(06)
[3]大氣折射對可見光波段輻射傳輸特性的影響[J]. 胡帥,高太長,李浩,劉磊,程天際,張婷.  物理學(xué)報. 2015(18)
[4]基于變形鏡本征模式法校正大氣熱暈的數(shù)值模擬[J]. 閆偉,陳志華,杜太焦,關(guān)奇.  光學(xué)學(xué)報. 2014(11)
[5]熱暈效應(yīng)模式法自適應(yīng)光學(xué)校正的數(shù)值模擬[J]. 閆偉,陳志華,杜太焦,關(guān)奇.  光學(xué)學(xué)報. 2014(09)
[6]熱暈效應(yīng)位相補償?shù)臄?shù)值模擬[J]. 閆偉,陳志華,杜太焦.  大氣與環(huán)境光學(xué)學(xué)報. 2014(04)
[7]大氣折射的原理性公式[J]. 張捍衛(wèi),欒軍,雷偉偉.  地球物理學(xué)進展. 2014(02)
[8]聚焦光束熱暈效應(yīng)相位補償定標(biāo)規(guī)律研究[J]. 張鵬飛,范承玉,喬春紅,馬慧敏,張京會,王海濤,王英儉.  中國激光. 2012(02)
[9]對流風(fēng)作用下的強激光熱暈效應(yīng)數(shù)值模擬研究[J]. 陳勇,郭隆德,張龍,金鋼,姜春.  中國激光. 2010(06)
[10]穩(wěn)態(tài)熱暈非等暈效應(yīng)的數(shù)值分析[J]. 孫運強,許曉軍,習(xí)鋒杰,陸啟生,吳武明,郭少鋒.  強激光與粒子束. 2010(02)

博士論文
[1]自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)在大氣光通信中的應(yīng)用研究[D]. 武云云.中國科學(xué)院研究生院（光電技術(shù)研究所） 2013
[2]典型天氣大氣輻射傳輸特性研究[D]. 顧吉林.大連海事大學(xué) 2012
[3]相位差波前探測技術(shù)及其在圖像恢復(fù)中的應(yīng)用研究[D]. 李斐.國防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 2011

碩士論文
[1]地球及臨邊背景紅外輻射特性研究[D]. 張中健.南京航空航天大學(xué) 2014
[2]強激光在大氣中傳輸?shù)臒釙炐?yīng)研究[D]. 姚友群.西安電子科技大學(xué) 2009
[3]強激光大氣傳輸熱暈數(shù)值模擬[D]. 常金勇.西安電子科技大學(xué) 2009
[4]氣溶膠所致熱暈的數(shù)值研究[D]. 稅奇軍.電子科技大學(xué) 2007
[5]大氣折射率影響因素的研究[D]. 金群鋒.浙江大學(xué) 2006
[6]天文大氣折射的研究[D]. 穆軍.中國科學(xué)院研究生院（云南天文臺） 2004



本文編號：3568468