厄米-高斯光束及其列陣光束大氣傳輸?shù)臒釙炐?yīng)的研究
發(fā)布時(shí)間:2021-04-12 09:43
作為高能激光的重要應(yīng)用,激光武器是一類正在迅速發(fā)展的新概念武器。然而高能激光在大氣中傳輸時(shí),熱暈效應(yīng)會(huì)對(duì)其光束質(zhì)量造成嚴(yán)重破壞。實(shí)際工作中常遇到高階模激光,直角坐標(biāo)系中的高階模激光通常由厄米多項(xiàng)式描述。而厄米-高斯(H-G)光束的熱暈效應(yīng)的研究還未見報(bào)道。由于單束激光器輸出功率有限,對(duì)激光光束合成是實(shí)現(xiàn)更高功率輸出的重要手段。因而研究H-G列陣光束的熱暈效應(yīng)具有非常重要的意義。高功率激光器產(chǎn)生的激光束通常具有復(fù)雜的多模結(jié)構(gòu),多模激光器相較于單模激光器會(huì)有更高的光-光轉(zhuǎn)換效率,研究多模及其列陣光束的熱暈效應(yīng)對(duì)激光武器的應(yīng)用具有指導(dǎo)意義。本論文的主要研究?jī)?nèi)容及結(jié)論包括:1.研究了熱暈效應(yīng)對(duì)H-G光束的大氣傳輸特性的影響。推導(dǎo)出了H-G光束大氣傳輸穩(wěn)態(tài)熱暈的光強(qiáng)和熱暈扭曲參數(shù)的解析表達(dá)式,研究表明:相同功率情況下,H-G光束模式數(shù)越高,其熱暈效應(yīng)越弱。特別地,H-G光束的熱暈效應(yīng)比基模高斯(GS)光束的要弱。另一方面,自行編制了H-G光束通過(guò)大氣傳輸?shù)乃木S模擬仿真程序,并研究發(fā)現(xiàn):熱暈效應(yīng)較強(qiáng)時(shí),雖然H-G光束模式數(shù)越高其初始束寬越大,但由于熱暈效應(yīng)其到達(dá)靶面上束寬卻越小。此外,H-G光束模...
【文章來(lái)源】:四川師范大學(xué)四川省
【文章頁(yè)數(shù)】:45 頁(yè)
【學(xué)位級(jí)別】:碩士
【部分圖文】:
無(wú)風(fēng)時(shí)高斯光束的熱暈效應(yīng).(2)對(duì)流主導(dǎo)的熱暈效應(yīng)
2基礎(chǔ)理論7到達(dá)穩(wěn)態(tài)。熱傳導(dǎo)主導(dǎo)的熱暈存在于無(wú)橫向風(fēng)或光束逆風(fēng)掃描的傳輸路徑中,通常把以熱傳導(dǎo)為主的傳輸區(qū)域叫做駐止區(qū)。假設(shè)一束連續(xù)的高能激光束在大氣中沿著z方向傳輸。由于高斯激光束的光強(qiáng)為鐘型分布,會(huì)使得傳輸軸上溫度最高,折射率最小,形成一個(gè)等效負(fù)透鏡,當(dāng)光束再次通過(guò)介質(zhì)時(shí),由于負(fù)透鏡的發(fā)散作用,其光強(qiáng)會(huì)呈現(xiàn)中心凹陷分布(見圖2.1)。圖2.1無(wú)風(fēng)時(shí)高斯光束的熱暈效應(yīng).(2)對(duì)流主導(dǎo)的熱暈效應(yīng)對(duì)流可分為自然對(duì)流和強(qiáng)迫對(duì)流。因?yàn)榻橘|(zhì)吸收激光能量導(dǎo)致的溫度分布不均勻,使得介質(zhì)熱膨脹,形成密度梯度,冷空氣向熱空氣區(qū)域流入,稱為自然對(duì)流主導(dǎo)的熱暈。通過(guò)大氣風(fēng)速的強(qiáng)迫對(duì)流轉(zhuǎn)移介質(zhì)吸收的能量的熱暈效應(yīng),稱為強(qiáng)迫對(duì)流主導(dǎo)的熱暈。對(duì)于高能激光的大氣傳輸,能量傳輸方式主要是大氣風(fēng)速的強(qiáng)迫對(duì)流。在以風(fēng)主導(dǎo)的熱暈中,移動(dòng)的介質(zhì)不能集中吸收激光束的能量,因此熱傳導(dǎo)是一個(gè)相對(duì)緩慢的過(guò)程,可以忽略。存在橫向風(fēng)時(shí),介質(zhì)中溫度高的部分會(huì)沿橫向風(fēng)方向流動(dòng),使得光束來(lái)風(fēng)方向的區(qū)域折射率變大,形成一個(gè)等效楔形棱鏡,光束會(huì)向來(lái)風(fēng)方向偏移(見圖2.2),靶面光斑呈月牙形(見圖2.3)。圖2.2有風(fēng)時(shí)高斯光束的熱暈效應(yīng).
四川師范大學(xué)碩士學(xué)位論文8圖2.3熱暈造成的典型光斑分布.2.1.2熱暈方程的求解考慮到實(shí)際高能激光大氣傳輸中的能量傳輸方式主要是大氣風(fēng)速的強(qiáng)迫對(duì)流,本文主要研究的是風(fēng)主導(dǎo)的熱暈。假如風(fēng)以恒定速度v沿x軸正向,不考慮熱傳導(dǎo),忽略掉方程(2.1.2)左邊第二項(xiàng)。則風(fēng)主導(dǎo)的熱暈效應(yīng)可由以下方程描述[21]:22220iknUUkUn+=,(2.1.4)xpcItvT+=,(2.1.5)0Tn=n+Tn.(2.1.6)如果能解析求解熱暈方程,就能直接對(duì)熱暈效應(yīng)進(jìn)行定性分析。為了解析求解穩(wěn)態(tài)熱暈,忽略掉方程(2.1.5)的含時(shí)項(xiàng)T/t。再對(duì)光場(chǎng)復(fù)振幅U=Aexp(ikS)采用幾何光學(xué)近似(→0,k→,衍射效應(yīng)可以忽略),結(jié)合方程(2.1.4)可得[24]:()22S=n,(2.1.7)()22ASA+S=,(2.1.8)其中A為振幅,S為波前相位;谝陨咸幚矸椒,Gebhardt通過(guò)解析推導(dǎo),得到了有風(fēng)情況下的準(zhǔn)直光束大氣傳輸穩(wěn)態(tài)熱暈的光強(qiáng)表達(dá)式[24]:I(x,y,z)2200000011(,,0)expddddddzzxzzxzTpxnIIIIIIxyexzIzxzzncvxyIxIyy=+++.(2.1.9)
本文編號(hào):3133084
【文章來(lái)源】:四川師范大學(xué)四川省
【文章頁(yè)數(shù)】:45 頁(yè)
【學(xué)位級(jí)別】:碩士
【部分圖文】:
無(wú)風(fēng)時(shí)高斯光束的熱暈效應(yīng).(2)對(duì)流主導(dǎo)的熱暈效應(yīng)
2基礎(chǔ)理論7到達(dá)穩(wěn)態(tài)。熱傳導(dǎo)主導(dǎo)的熱暈存在于無(wú)橫向風(fēng)或光束逆風(fēng)掃描的傳輸路徑中,通常把以熱傳導(dǎo)為主的傳輸區(qū)域叫做駐止區(qū)。假設(shè)一束連續(xù)的高能激光束在大氣中沿著z方向傳輸。由于高斯激光束的光強(qiáng)為鐘型分布,會(huì)使得傳輸軸上溫度最高,折射率最小,形成一個(gè)等效負(fù)透鏡,當(dāng)光束再次通過(guò)介質(zhì)時(shí),由于負(fù)透鏡的發(fā)散作用,其光強(qiáng)會(huì)呈現(xiàn)中心凹陷分布(見圖2.1)。圖2.1無(wú)風(fēng)時(shí)高斯光束的熱暈效應(yīng).(2)對(duì)流主導(dǎo)的熱暈效應(yīng)對(duì)流可分為自然對(duì)流和強(qiáng)迫對(duì)流。因?yàn)榻橘|(zhì)吸收激光能量導(dǎo)致的溫度分布不均勻,使得介質(zhì)熱膨脹,形成密度梯度,冷空氣向熱空氣區(qū)域流入,稱為自然對(duì)流主導(dǎo)的熱暈。通過(guò)大氣風(fēng)速的強(qiáng)迫對(duì)流轉(zhuǎn)移介質(zhì)吸收的能量的熱暈效應(yīng),稱為強(qiáng)迫對(duì)流主導(dǎo)的熱暈。對(duì)于高能激光的大氣傳輸,能量傳輸方式主要是大氣風(fēng)速的強(qiáng)迫對(duì)流。在以風(fēng)主導(dǎo)的熱暈中,移動(dòng)的介質(zhì)不能集中吸收激光束的能量,因此熱傳導(dǎo)是一個(gè)相對(duì)緩慢的過(guò)程,可以忽略。存在橫向風(fēng)時(shí),介質(zhì)中溫度高的部分會(huì)沿橫向風(fēng)方向流動(dòng),使得光束來(lái)風(fēng)方向的區(qū)域折射率變大,形成一個(gè)等效楔形棱鏡,光束會(huì)向來(lái)風(fēng)方向偏移(見圖2.2),靶面光斑呈月牙形(見圖2.3)。圖2.2有風(fēng)時(shí)高斯光束的熱暈效應(yīng).
四川師范大學(xué)碩士學(xué)位論文8圖2.3熱暈造成的典型光斑分布.2.1.2熱暈方程的求解考慮到實(shí)際高能激光大氣傳輸中的能量傳輸方式主要是大氣風(fēng)速的強(qiáng)迫對(duì)流,本文主要研究的是風(fēng)主導(dǎo)的熱暈。假如風(fēng)以恒定速度v沿x軸正向,不考慮熱傳導(dǎo),忽略掉方程(2.1.2)左邊第二項(xiàng)。則風(fēng)主導(dǎo)的熱暈效應(yīng)可由以下方程描述[21]:22220iknUUkUn+=,(2.1.4)xpcItvT+=,(2.1.5)0Tn=n+Tn.(2.1.6)如果能解析求解熱暈方程,就能直接對(duì)熱暈效應(yīng)進(jìn)行定性分析。為了解析求解穩(wěn)態(tài)熱暈,忽略掉方程(2.1.5)的含時(shí)項(xiàng)T/t。再對(duì)光場(chǎng)復(fù)振幅U=Aexp(ikS)采用幾何光學(xué)近似(→0,k→,衍射效應(yīng)可以忽略),結(jié)合方程(2.1.4)可得[24]:()22S=n,(2.1.7)()22ASA+S=,(2.1.8)其中A為振幅,S為波前相位;谝陨咸幚矸椒,Gebhardt通過(guò)解析推導(dǎo),得到了有風(fēng)情況下的準(zhǔn)直光束大氣傳輸穩(wěn)態(tài)熱暈的光強(qiáng)表達(dá)式[24]:I(x,y,z)2200000011(,,0)expddddddzzxzzxzTpxnIIIIIIxyexzIzxzzncvxyIxIyy=+++.(2.1.9)
本文編號(hào):3133084
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