激光大气传输湍流与热晕综合效应.pdf

激光大气传输湍流与热晕综合效应 饶瑞中 （中国科学院安徽光学精密机械研究所 合肥 230031） 摘 要：详细讨论了激光大气传输时的湍流与热晕综合效应问题。提出了根据湍流效应对热 晕经验公式进行修正的处理方法，其物理基础是：在湍流效应较明显的情况下，由相干距离决定 的湍流Fresnel 衍射参数远小于由发射口径决定的Fresnel 衍射参数时，小尺度热晕的影响超过整束 热晕占主导地位。将修正的经验公式与基于数值计算的定标公式相比较，结果令人满意。 关键词：大气湍流；热晕；激光大气传输 1. 引 言 影响激光传输效果的主要因素有大气分子和气溶胶粒子吸收和散射造成的衰减效应、大气湍 流引起的湍流效应和强光加热空气造成的热晕效应。决定这些效应的因素以及这些效应的物理过 程是很复杂的，它们既和大气光学参数有关，也依赖于光学系统的参数。 激光大气传输的衰减效应和湍流效应已有比较可靠的处理方法和规律性认识。而热晕效应由 于和光束形态密切相关，虽然有许多工作探讨了热晕的各种特殊性质和规律，但没有充分的一般 规律性研究结果[1-11] 。更为复杂的是，湍流效应造成的光斑无规分布给热晕的分析带来巨大的复杂 性，而热晕对空气的加热又改变了湍流的状态，二者间的相互作用是十分复杂的。在实际应用中， 这种相互作用的场景却是很普遍的。 尽管湍流热晕相互作用问题的实验研究并非罕见，但主要的处理方法是数值模拟。虽然热晕 改变了湍流状态，但基本的处理方法仍将二者独立对待，针对具体问题的数值定标实验大量开展 试图拟合出定标关系[12-14] 。能清晰反映热晕问题物理实质的解析方法及其结果早在1976年就已由 [2] [3, 4] Bradely和Hermann提出了物理思想 ，由Gebhardt和Smith确立了数学模型并已广泛应用 ，迄今 为止尚未受到进一步的探讨或改进[6,11] 。对于湍流热晕相互作用,虽有不少工作进行了分析探讨[15]， 也提出了解析处理模型[16，17]，但并未得到广泛的实际应用。 对湍流、热晕相互作用机理的分析，认为在湍流效应较明显的情况下，由相干距离决定的湍 流Fresnel衍射参数远小于由发射口径决定的Fresnel衍射参数时，小尺度热晕的影响超过整束热晕占 主导地位[18] 。因此，将湍流Fresnel参量耦合到Gebhardt经验公式中，不失为一种简捷、明了的处理 方法。对通过这种途径获得的分析结果与数值模拟和实验获得的定标关系经验公式相比较，无疑 会使我们获得一些有益的认识。 2. 大气衰减和湍流效应 大气衰减（包括大气分子吸收和散射、气溶胶吸收和散射）的作用由消光系数β ext和传输距离 L 决定。湍流效应由光学大气湍流强度－折射率结构常数C2 和传播距离L 决定的参量描述。热晕效 n 应的决定因素主要大气分子和气溶胶吸收系数α 、风速以及激光功率。 以发射光学系统的口径为D 、功率为P 的均匀光束和高斯光束为例。对后者，其光强分布为 P ? r 2 ? 2P ? 2r 2 ? ? ? ? ? (1) I 2 exp ? 2 ＝ 2 exp? ? 2 ? ? ? πa ? a ? πω ? ω ? e? 1 光强对应的光斑特征半径 a 与e?2 光强对应的光斑半径ω的关系为ω 2a ，高斯光束与发射光 学系统的匹配选择为D 2a 2ω 。在 Gebhardt 的多篇文章中选择发射光束口径D 2 2a （对 应于e?2 光强光斑直径 2 ）。