大气中自聚焦和海洋中热晕效应对激光传输特性和光束质量的影响

摘要

大量太空垃圾对人类航天活动构成了巨大威胁，激光空间碎片清除是一种非常重要且有效清理太空垃圾的方法。地基空间碎片清除不可避免地会遇到强激光大气传输问题，而强激光大气传输时的自聚焦和群速度色散效应是十分显著的，因此研究脉冲激光从地面经大气传输至空间轨道的自聚焦效应和群速度色散效应对空间碎片清除的影响是非常重要的。另一方面，利用激光辐射把转换的太阳能从太空输运到地面上是一个绿色能源设想，而大多数激光发射装置中都含有产生环状光束的望远镜系统，因此研究环状光束从空间轨道经大气传输到地面的自聚焦效应是十分重要的。此外，随着激光在水下应用的兴起，研究激光在海水介质中传输的热晕效应显得尤为重要。本论文主要研究了大气中自聚焦、群速度色散效应和海洋中热晕效应对激光传输特性和光束质量的影响，具体研究工作包括： 1. 研究了脉冲激光从地面经大气传输至空间碎片的自聚焦和群速度色散效应对空间碎片清除的影响。自行编制了脉冲激光从地面经大气传输至空间轨道的模拟仿真程序，用数值模拟的方法研究了大气自聚焦效应和群速度色散效应对脉冲激光传输特性和光束质量的影响。研究发现：与线性传输情况不同的是，由于自聚焦和群速度色散的共同作用，激光在传输过程中的脉宽和束宽的变化十分显著，并且在空间碎片靶面上会出现脉冲分裂和旁瓣光强分布。同时，与线性传输情况相比，靶面上的束宽和脉宽均会增加。除此之外，针对激光清理空间碎片,推导出了修正焦距和光束M2因子的解析表达式。研究表明：若采用本论文推导出的修正焦距，能提高靶面上的光束质量；当M 2因子低于1.6时，靶面上能获得较好的光束质量。本论文所得结果对地基高能激光清理空间碎片清除具有重要意义。 2. 针对利用激光辐射把转换的太阳能输运到地面的应用，研究了环状光束从空间轨道经大气传输到地面的自聚焦效应。自行编制了环状光束从空间轨道经大气传输到地面的模拟仿真程序，用数值模拟的方法研究了大气自聚焦效应对环状光束传输特性的影响。研究发现：随着环状光束遮拦比的增加，自聚焦作用会使得环状光束压缩更厉害。另一方面，研究比较了自聚焦效应对环状光束、平顶光束和高斯光束传输特性和光束质量影响的差异，研究表明：自聚焦效应对环状光束的作用要强于平顶光束和高斯光束，而环状光束、平顶光束和高斯光束的自聚焦临界功率值依次递增。此外，推导出了环状光束从空间轨道经大气传输到地面的光束 B 积分的表达式，并给出了环状光束达到最大压缩而未成丝的光束 B积分的拟合公式。本论文所得研究结果对高功率激光从空间轨道经大气传输到地面的能量输运具有重要意义。 3. 研究了激光在海水介质中传输的热晕效应。利用自行编制的激光在海水介质中传输的四维模拟仿真程序，采用数值模拟方法研究了海水盐度、海水深度和光波长（考虑海水吸收系数随波长变化）对激光热晕效应的影响。研究表明：海水盐度升高要导致激光热晕效应加剧。与波长相比，由于海水介质的吸收系数值很大，因此吸收系数是影响热晕效应的主要因素。在海水介质中，波长对应的吸收系数越大，热晕效应越剧烈。此外，浅海区域与深海区域相比较，热晕效应随海水深度变化规律不同，并且影响热晕效应强弱的主要物理因素也不相同。在浅海区域，随着时间的增加，热晕强度随海水深度的变化规律呈非单调变化，即，开始时热晕效应随海水深度增加而减弱，随后则反之。但是，在深海区域，热晕效应随海水深度增加而单调加剧。本论文所得研究结果对水下激光应用具有重要意义。

目录

声明

1 引言

1.1 研究背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 研究内容及各章节安排

2 基础理论

2.1 自聚焦效应基础理论

2.2 热晕效应基础理论

3 自聚焦和群速度色散效应对脉冲激光空间碎片清除影响的研究

3.1 理论模型

3.2 脉冲激光时空光强分布

3.3 修正焦距和M2因子表达式

3.4 本章小结

4 自聚焦效应对环状光束在大气介质中传输特性影响的研究

4.1 理论模型

4.2 环状光束的自聚焦效应

4.3 环状光束的B积分

4.4 环状光束、平顶光束和高斯光束自聚焦效应的比较

4.5本章小结

5 热晕效应对激光在海水介质中传输特性影响的研究

5.1 理论模型

5.2 波长对海水中热晕效应的影响

5.3 海水盐度对热晕效应的影响

5.4 海水深度对热晕效应的影响

5.5 本章小结

6 主要结论及创新点

6.1 主要结论

6.2 主要创新点

参考文献

致谢

在校期间科研成果