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激光在大气传输过程中,由于大气吸收、散射、湍流效应以及非线性热晕效应的影响,造成激光能量衰减和光束质量降低。大气中的气溶胶粒子,一方面对光吸收和散射造成能量衰减;另一方面吸收光波能量并加热周围大气,造成大气密度和折射率变化,导致光传输横截面能量分布畸变,即气溶胶所致热晕效应。这在高功率激光传输领域具有重要意义。 本文主要研究了气溶胶对大气传输的影响,针对气溶胶所致大气衰减问题,研究了不同地区、不同天气下气溶胶粒子的消光特性与吸湿增长规律,并采用直接测量激光功率衰减的方式测量了大气透过率,与其他计算方式进行对比分析。针对气溶胶所致热晕问题,计算了不同混合方式下粒子有效吸收系数,并仿真计算了其热晕效应的差异。为激光大气传输中的光学系统工程优化设计和性能评估提供了参考依据。本文的主要工作如下: (1)对比分析了气溶胶粒子消光特性与吸湿增长规律。采用能见度仪和自动气象站在我国东南沿海典型地区和合肥地区的能见度(V)和相对湿度(RH)进行测量实验,利用能见度与消光系数和波长的关系,对于波长为1.06μm的激光,对比分析了内陆和沿海地区在雾霾和晴好两种不同天气条件下相对湿度对沿海气溶胶消光系数的影响差异。 (2)设计并搭建了直接测量大气透过率系统。通过测量激光功率的衰减,直接获得激光大气透过率的变化,测量精度优于10%。根据能见度和相对湿度数据,利用大气辐射传输软件MODTRAN5以及Kruse公式计算分析得到大气透过率,分析了计算所得大气透过率的适用条件以及误差,研究表明,MODTRAN和Kruse公式在高能见度、低相对湿度下符合实际。 (3)研究了内混合气溶胶粒子有效吸收系数变化规律。利用Mie散射理论对比分析了以碳为核和以盐为核等不同内混合模型下气溶胶粒子有效吸收系数异同,以及黑碳-氯化钠和黑碳硫酸铵两种粒子有效吸收系数变化规律。结果表明,在密度和比热相同的条件下,不同混合方式的粒子有效吸收系数变化规律存在差异。 (4)研究了长脉冲热晕效应。测量了氨气管道中光斑形态,并利用实验参数进行了数值仿真,经对比分析,仿真结果初步反应了实际光斑形态变化。