湍流热晕相互作用光束扩展定标规律的数值分析.pdf

湍流热晕相互作用光束扩展 定标规律的数值分析 黄印博王英俭 (中困科学院安徽光学精密机械研究所人气光学中心，安徽合肥230031) 摘要：神：多种典型汁算参量条件下，对、r台聚焦光束人气传输湍流热晕相互作用·Jl起的 光束扩艘进行r人量的数值模拟，建讧J，描述聚焦光束人气传输光束扩腱’j人气传输特征物 理参量的定标关系，从InJ定量评价／1i州传输条件下，矗能激光人气传输湍流热晕相互作用下的 传输效果。 关键浏：湍流效臆，热晕效成，光束扩展，定标规律 一、引言 众所周知，激光特别是高能激光住人气中传输时，人气与激光相互作_Hj将产生一系列 的线性与1卜线性效应，尤其是人气湍流效应、1卜线性热晕效应以及湍流热晕的相互作川， 这些效麻均会使传输光束发生扩展，而光束扩展与激光通过人气传输后的光强卜．降紧密关 联，并可能导致传输光束的光束质量严重退化，是激光人气传输研究和I：徉应J}}J的重要问 题之一l。具体而言，就是这些人气效应究竟会给I：科应Hj中激光传输带来多人的影响， 冈此众多研究者们都在致力丁．需求定培计算和评价人气对激光。I：稃虑川影响的定标关系。 然而，目前关丁描述激光人气传输效果的定量的关系，国内外公开的报道都不多，而且有 高能激光人气传输数值仿真软f，l：平台以及实验平台上进行了人量的数值仿真与定标实验， 以寻求激光人气传输效果与人气传输特祉物理参量的定鼙的关系。 二、理论分析 通常认为，人气湍流对热晕效应的影响主要表现在：随机变化的温度场或密度场所产 生的折射率的随机扰动导致光束发生扩展，从而改变其光强分布，而热晕效应与光强分布 义是密切相关的，冈此湍流扩展将直接影响这种白诱导热畸变效应。以卜．，我ffJ就将着重 讨论这种湍流扩束效应与整束热晕效应的相互作州。 风速、口为光束、I，径。对准直光束传输而言，特别是当N，．≥l时，传输路释上光束、I，．径的 变化不人，均可认为是初始的光束、卜径口；但对聚焦光束而言，特征频率将随传输距离的 改变而变化，冈此这里将以无畸变的焦平面光斑、|，．径作为特征．、i，．径a。当湍流热晕相互作 法HJ解析的方法来求解这种复筠导的相互作州lJ之j。 但是，如果当氏远人丁．．‘。时，则可以认为热畸变是在快速变化的湍流扩束作Hj之后 光束的峰值光强门结为如卜．经验公式： 尸 1 1+0．0625N 2(口)71a2(z) 为衍射光斑、l，．．径、光束抖动和湍流扩束所引起的光斑扩展、I，-．径。(1)式还可以改写为： 一129— P Ixl。 2=0．0625N2《口)口2(：)(2) 瓦≮孝磊茅碚一晰 式中口f。可以认为是在湍流扩束之后热畸变效应所导致的光斑扩展。 若，；。远小丁．．厶，则可以认为湍流效应与热晕效应是相互独立的，可以利川均方根关 系米计算总的光斑半径，而热畸变光束的峰值光强可以写成： P ． ． ． (3) 7BG2 氕nd+氕n|+死at+氕n 口，黝是在没有湍流作用时热畸变导致的光斑扩展。 由以上两个计算峰值光强的公式可以看出，它们的差别仅在丁．口啪。、口麒∥而且由丁- 热畸变效应，从而起到了补偿湍流扩展所导致的峰值光强。卜．降的