搜索

x

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

强激光上行大气传输热晕效应导致的光束偏折研究

张建柱 张飞舟 苏华 胡鹏 谢晓钢 罗文

引用本文:
Citation:

强激光上行大气传输热晕效应导致的光束偏折研究

张建柱, 张飞舟, 苏华, 胡鹏, 谢晓钢, 罗文

Analysis of beam deviation induced by thermal blooming effect when high-energy laser propagating up in atmosphere

Zhang Jian-Zhu, Zhang Fei-Zhou, Su Hua, Hu Peng, Xie Xiao-Gang, Luo Wen
PDF
HTML
导出引用
  • 从激光大气传输热晕效应理论出发, 提出了热畸变参数矢量模型概念, 基于热畸变参数矢量模型, 通过激光系统仿真软件EasyLaser, 对激光上行远距离大气传输场景下光束偏折大小、偏折方向随矢量热畸变参数的变化规律进行了研究, 结果表明, 采用热晕效应热畸变参数矢量模型, 光束偏折大小与矢量热畸变参数的模呈近线性增长, 偏折方向与矢量热畸变参数的方向相反. 基于光束偏折与矢量热畸变参数的规律, 通过对光束传输路径上大气环境参数进行准实时测量, 可为激光系统实际应用中光束偏置的预评估提供手段.
    Based on the thermal blooming effect theory for high-energy laser propagating in atmosphere, the vector model concept of thermal distortion parameter $ {{\boldsymbol{N}}_{\text{D}}} $ is put forward. Based on the vector model concept of thermal distortion parameter and the laser system simulation software EasyLaser, the scaling law between the centroid offset of laser beam farfield and the vector thermal distortion parameter is simulated and analyzed. The simulation results indicate that the centroid offset quantity is in direct proportion to the modulus of vector thermal distortion parameter $ {{\boldsymbol{N}}_{\text{D}}} $, and the centroid offset direction is opposite to the direction of vector thermal distortion parameter $ {{\boldsymbol{N}}_{\text{D}}} $. Based on the scaling law, by real-time measuring the atmosphreic parameters on laser beam propagation path, the beam deviation of laser system can be conveniently estimated in practical application.
      通信作者: 罗文, luo_wen@iapcm.ac.cn
      Corresponding author: Luo Wen, luo_wen@iapcm.ac.cn
    [1]

    苏毅, 万敏 2004 高能激光系统 (北京: 国防工业出版社) 第143页

    Su Y, Wan M 2004 High Energy Laser System (Beijing: National Defense Industrial Press) p143 (in Chinese)

    [2]

    饶瑞中 2012 现代大气光学 (北京: 科学出版社) 第482页

    Rao R Z 2012 Modern Atmospheric Optics (Beijing: Science Press) p482 (in Chinese)

    [3]

    Gebhardt F G 1990 Proc. SPIE 1221 2Google Scholar

    [4]

    Zhang F Z, Li Y K 2004 Proc. SPIE 5832 25

    [5]

    黄印博, 王英俭, 饶瑞中, 龚知本 2002 光学学报 22 1461Google Scholar

    Huang Y B, Wang Y J, Rao R Z, Gong Z B 2002 Acta Opt. Sin. 22 1461Google Scholar

    [6]

    黄印博, 王英俭 2006 物理学报 55 6715Google Scholar

    Huang Y B, Wang Y J 2006 Acta Phys. Sin. 55 6715Google Scholar

    [7]

    乔春红, 范承玉, 王英俭 2008 强激光与粒子束 20 1811

    Qiao C H, Fan C Y, Wang Y J 2008 High Power Laser and Particle Beams 20 1811

    [8]

    张鹏飞, 范承玉, 乔春红 2012 中国激光 39 0213002Google Scholar

    Zhang P F, Fan C Y, Qiao C H 2012 Chin. J. Lasers 39 0213002Google Scholar

    [9]

    张鹏飞, 乔春红, 冯晓星, 李南, 黄童, 范承玉, 王英俭 2017 光学学报 37 1001001Google Scholar

    Zhang P F, Qian C H, Feng X X, Li N, Huang T, Fan C Y, Wang Y J 2017 Acta Opt. Sin. 37 1001001Google Scholar

    [10]

    吴书云, 李新阳, 罗曦 2018 光电工程 45 170620

    Wu S Y, Li X Y, Luo X 2018 Opto-Electronic Eng. 45 170620

    [11]

    陈小威, 李学斌, 魏合理, 戴聪明, 罗涛, 朱文越, 翁宁泉 2018 光学学报 38 1001001Google Scholar

    Chen X W, Li X B, Wei H L, Dei C M, Luo T, Zhu W Y, Weng N Q 2018 Acta Opt. Sin. 38 1001001Google Scholar

    [12]

    李晓庆, 曹建勇, 丁洲林, 季小玲 2019 光学学报 39 0126020Google Scholar

    Li X Q, Cao J Y, Ding Z L, Ji X L 2019 Acta Opt. Sin. 39 0126020Google Scholar

    [13]

    闫伟, 陈志华, 杜太焦, 关奇 2016 红外与激光工程 45 1032001Google Scholar

    Yan W, Chen Z H, Du T J, Guan Q 2016 Infrared Laser Eng. 45 1032001Google Scholar

    [14]

    Bradley L C, Herrmann J 1974 Appl. Opt. 13 331Google Scholar

    [15]

    谢晓钢, 张建柱, 岳玉芳 2013 强激光与粒子束 25 2536Google Scholar

    Xie X G, Zhang J Z, Yue Y F 2013 High Power Laser and Particle Beams 25 2536Google Scholar

    [16]

    王英俭, 范承玉, 魏合理 2015 激光在大气和海水中传输及应用 (北京: 国防工业出版社) 第157页

    Wang Y J, Fan C Y, Wei H L 2015 Laser Beam Propagation and Applications through the Atmosphere and Sea Water (Beijing: National Defense Industrial Press) p157 (in Chinese)

  • 图 1  标量叠加与矢量叠加差异示意图

    Fig. 1.  Sketch map of difference between vector add and scalar add.

    图 2  仿真参数 (a) 自然风速廓线; (b) 自然风向廓线; (c) 大气吸收与消光廓线; (d) 热晕效应分布; (e) 实心平台光束; (f) 遮拦比$ \varepsilon = 0.4 $的环形光束

    Fig. 2.  Simulation parameter: (a) Wind velocity outline; (b) wind direction outline; (c) atmospheric absorption and extinction outline; (d) thermal blooming effect distribution; (e) flat circular beam; (f) hollow circle beam of obstructed ratio $ \varepsilon = 0.4 $.

    图 3  热畸变参数标量值相同但矢量分布不同时远场光斑典型分布 (a) 风向廓线A; (b) 风向廓线B; (c) 同风向270°

    Fig. 3.  Typical far field distribution of the same thermal blooming distortion parameter $ {N_{\text{D}}} $ but different $ {{\boldsymbol{N}}_{\text{D}}} $: (a) Wind direction outline A; (b) wind direction outline B; (c) uniform wind direction (270º).

    图 4  远场质心偏移与热畸变参数的关系 (a) 标量热畸变参数模型; (b) 矢量热畸变参数模型

    Fig. 4.  Relation between centriod offset of flat circular beam and thermal blooming distortion parameter: (a) Thermal blooming distortion parameter scalar model; (b) thermal blooming distortion parameter vector model.

    图 5  自然风向廓线A条件下平台光束光束偏折与矢量热畸变参数$ {{\boldsymbol{N}}_{\text{D}}} $的变化规律 (a) X方向质心偏移; (b) Y方向质心偏移; (c) 质心总偏移

    Fig. 5.  Relation between centriod offset of flat circular beam and thermal blooming parameter $ {{\boldsymbol{N}}_{\text{D}}} $ while wind direction outline A is used: (a) Centriod offset in X axis; (b) centriod offset in Y axis; (c) all centriod offset.

    图 6  自然风向廓线B条件下平台光束光束偏折与矢量热畸变参数$ {{\boldsymbol{N}}_{\text{D}}} $的变化规律 (a) X方向质心偏移; (b) Y方向质心偏移; (c) 质心总偏移

    Fig. 6.  Relation between centriod offset of flat circular beam and thermal blooming parameter $ {{\boldsymbol{N}}_{\text{D}}} $ while wind direction outline B is used: (a) Centriod offset in X axis; (b) centriod offset in Y axis; (c) all centriod offset.

    图 7  自然风向廓线A条件下环形光束光束偏折与矢量热畸变参数$ {{\boldsymbol{N}}_{\text{D}}} $的变化规律 (a) X方向质心偏移; (b) Y方向质心偏移; (c) 质心总偏移

    Fig. 7.  Relation between centriod offset of hollow circle beam and thermal blooming parameter $ {{\boldsymbol{N}}_{\text{D}}} $ while wind direction outline A is used: (a) Centriod offset in X axis; (b) centriod offset in Y axis; (c) all centriod offset.

    图 8  自然风向廓线B条件下环形光束光束偏折与矢量热畸变参数$ {{\boldsymbol{N}}_{\text{D}}} $的变化规律 (a) X方向质心偏移; (b) Y方向质心偏移; (c) 质心总偏移

    Fig. 8.  Relation between centriod offset of hollow circle beam and thermal blooming parameter $ {{\boldsymbol{N}}_{\text{D}}} $ while wind direction outline B is used: (a) Centriod offset in X axis; (b) centriod offset in Y axis; (c) all centriod offset.

  • [1]

    苏毅, 万敏 2004 高能激光系统 (北京: 国防工业出版社) 第143页

    Su Y, Wan M 2004 High Energy Laser System (Beijing: National Defense Industrial Press) p143 (in Chinese)

    [2]

    饶瑞中 2012 现代大气光学 (北京: 科学出版社) 第482页

    Rao R Z 2012 Modern Atmospheric Optics (Beijing: Science Press) p482 (in Chinese)

    [3]

    Gebhardt F G 1990 Proc. SPIE 1221 2Google Scholar

    [4]

    Zhang F Z, Li Y K 2004 Proc. SPIE 5832 25

    [5]

    黄印博, 王英俭, 饶瑞中, 龚知本 2002 光学学报 22 1461Google Scholar

    Huang Y B, Wang Y J, Rao R Z, Gong Z B 2002 Acta Opt. Sin. 22 1461Google Scholar

    [6]

    黄印博, 王英俭 2006 物理学报 55 6715Google Scholar

    Huang Y B, Wang Y J 2006 Acta Phys. Sin. 55 6715Google Scholar

    [7]

    乔春红, 范承玉, 王英俭 2008 强激光与粒子束 20 1811

    Qiao C H, Fan C Y, Wang Y J 2008 High Power Laser and Particle Beams 20 1811

    [8]

    张鹏飞, 范承玉, 乔春红 2012 中国激光 39 0213002Google Scholar

    Zhang P F, Fan C Y, Qiao C H 2012 Chin. J. Lasers 39 0213002Google Scholar

    [9]

    张鹏飞, 乔春红, 冯晓星, 李南, 黄童, 范承玉, 王英俭 2017 光学学报 37 1001001Google Scholar

    Zhang P F, Qian C H, Feng X X, Li N, Huang T, Fan C Y, Wang Y J 2017 Acta Opt. Sin. 37 1001001Google Scholar

    [10]

    吴书云, 李新阳, 罗曦 2018 光电工程 45 170620

    Wu S Y, Li X Y, Luo X 2018 Opto-Electronic Eng. 45 170620

    [11]

    陈小威, 李学斌, 魏合理, 戴聪明, 罗涛, 朱文越, 翁宁泉 2018 光学学报 38 1001001Google Scholar

    Chen X W, Li X B, Wei H L, Dei C M, Luo T, Zhu W Y, Weng N Q 2018 Acta Opt. Sin. 38 1001001Google Scholar

    [12]

    李晓庆, 曹建勇, 丁洲林, 季小玲 2019 光学学报 39 0126020Google Scholar

    Li X Q, Cao J Y, Ding Z L, Ji X L 2019 Acta Opt. Sin. 39 0126020Google Scholar

    [13]

    闫伟, 陈志华, 杜太焦, 关奇 2016 红外与激光工程 45 1032001Google Scholar

    Yan W, Chen Z H, Du T J, Guan Q 2016 Infrared Laser Eng. 45 1032001Google Scholar

    [14]

    Bradley L C, Herrmann J 1974 Appl. Opt. 13 331Google Scholar

    [15]

    谢晓钢, 张建柱, 岳玉芳 2013 强激光与粒子束 25 2536Google Scholar

    Xie X G, Zhang J Z, Yue Y F 2013 High Power Laser and Particle Beams 25 2536Google Scholar

    [16]

    王英俭, 范承玉, 魏合理 2015 激光在大气和海水中传输及应用 (北京: 国防工业出版社) 第157页

    Wang Y J, Fan C Y, Wei H L 2015 Laser Beam Propagation and Applications through the Atmosphere and Sea Water (Beijing: National Defense Industrial Press) p157 (in Chinese)

  • [1] 徐梦敏, 李晓庆, 唐荣, 季小玲. 风控热晕对双模涡旋光束大气传输的轨道角动量和相位奇异性的影响. 物理学报, 2023, 72(16): 164202. doi: 10.7498/aps.72.20230684
    [2] 钟哲强, 张翔, 张彬, 袁孝. 大气湍流和热晕综合效应下旋转光束的传输特性. 物理学报, 2023, 72(6): 064204. doi: 10.7498/aps.72.20221597
    [3] 杨东如, 程用志, 罗辉, 陈浮, 李享成. 基于双开缝环结构的半反射和半透射超宽带超薄双偏振太赫兹超表面. 物理学报, 2023, 72(15): 158701. doi: 10.7498/aps.72.20230471
    [4] 黄建邦, 南虎, 张锋, 张佳乐, 刘来君, 王大威. 弛豫铁电体弥散相变与热滞效应的伊辛模型. 物理学报, 2021, 70(11): 110501. doi: 10.7498/aps.70.20202019
    [5] 张鹏飞, 乔春红, 冯晓星, 黄童, 李南, 范承玉, 王英俭. Non-Kolmogorov湍流大气中小尺度热晕效应线性理论. 物理学报, 2017, 66(24): 244210. doi: 10.7498/aps.66.244210
    [6] 王亚珍, 黄平, 龚中良. 热激发效应对界面摩擦的影响. 物理学报, 2012, 61(6): 063203. doi: 10.7498/aps.61.063203
    [7] 王军, 李京颍, 郑志刚. 热整流效应的消失与翻转现象. 物理学报, 2010, 59(1): 476-481. doi: 10.7498/aps.59.476
    [8] 王友文, 邓剑钦, 文双春, 唐志祥, 傅喜泉, 范滇元. 宽频带光束非线性热像效应的实验研究. 物理学报, 2009, 58(3): 1738-1744. doi: 10.7498/aps.58.1738
    [9] 王友文, 胡勇华, 文双春, 游开明, 傅喜泉. 高斯光束非线性“热像”效应研究. 物理学报, 2007, 56(10): 5855-5861. doi: 10.7498/aps.56.5855
    [10] 吴 坚. AlInGaAs垂直谐振腔顶面发射半导体激光器横向温度效应的解析热模型及其表征. 物理学报, 2006, 55(11): 5848-5854. doi: 10.7498/aps.55.5848
    [11] 陈潇潇, 李斌成, 杨亚培. 光学薄膜测量时平顶光束激励的表面热透镜理论模型. 物理学报, 2006, 55(9): 4673-4678. doi: 10.7498/aps.55.4673
    [12] 黄印博, 王英俭. 聚焦光束大气传输光束扩展定标规律的数值分析. 物理学报, 2006, 55(12): 6715-6719. doi: 10.7498/aps.55.6715
    [13] 刘雪明, 张明德, 孙小菡. 熔融石英的热及电场诱导模型. 物理学报, 2000, 49(3): 538-543. doi: 10.7498/aps.49.538
    [14] 何煜, 郭文康, 邵其鋆, 须平. 自由电弧热发射阴极的物理模型. 物理学报, 2000, 49(3): 487-491. doi: 10.7498/aps.49.487
    [15] 余保龙, 朱从善, 干福熹. PbS纳米微粒溶胶热光系数dn/dT的测量和光束限制效应研究. 物理学报, 1997, 46(12): 2394-2400. doi: 10.7498/aps.46.2394
    [16] 黄国松, 周烽, 顾绍庭, 张国轩, 陈泽兴. 钕玻璃圆筒激光器的热畸变. 物理学报, 1990, 39(3): 367-374. doi: 10.7498/aps.39.367
    [17] 叶碧青, 马忠林. 激光谐振腔内光学元件的热光效应. 物理学报, 1980, 29(6): 756-763. doi: 10.7498/aps.29.756
    [18] 叶佩弦. 三光子矢量模型. 物理学报, 1979, 28(5): 32-39. doi: 10.7498/aps.28.32
    [19] 钕玻璃热畸变研究组. 钕玻璃的光泵感应热畸变. 物理学报, 1978, 27(1): 22-30. doi: 10.7498/aps.27.22
    [20] 激光晶体研究组. [001]取向YAG激光棒的热致双折射效应. 物理学报, 1977, 26(2): 93-99. doi: 10.7498/aps.26.93
计量
  • 文章访问数:  3155
  • PDF下载量:  53
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2021-06-16
  • 修回日期:  2021-07-30
  • 上网日期:  2021-08-31
  • 刊出日期:  2021-12-20

/

返回文章
返回