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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(M2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M2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M2因子的解析公式,并采用相对M2因子研究了湍流对M2因子的影响。研究表明:在大气湍流中M2因子不再是一个传输不变量,湍流使得M2因子增大。非相干合成情况下,M2因子随着传输距离、光束参数、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,M2因子随光束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M2因子比非相干合成的要小。然而,非相干合成情况下的M2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M2因子的影响。此外,随着子光束数目的增大,相干合成的M2因子受湍流影响增大,而非相干合成的M2因子受湍流影响减小。