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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

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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
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  • 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
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  • 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.

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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

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