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多场景下激光大气传输光束扩展的定标规律

导语

长期以来，高能激光大气传输技术已广泛应用于激光通信、激光武器、激光雷达和激光能量输运等领域，成为各国竞相发展的技术。然而，在实际激光工程应用中，由于大气传输环境较为复杂，且激光外场试验成本较高、时间周期较长，准确、快速预测和评估高能激光大气传输时，湍流和热晕对光束扩展的影响极其重要。
四川大学张彬教授团队基于高能激光大气传输数值仿真模型，计算模拟了光束扩展随大气特征参量和激光参数的变化规律，建立了含湍流和热晕综合效应的激光大气传输光束扩展的定标关系，能够快速预测和评估不同强度的湍流和热晕效应情况下，不同功率的激光光束扩展规律，可为高能激光系统的设计及优化提供参考。
多场景下激光大气传输光束扩展的定标规律

封面解读

封面呈现的是激光经大气长程传输时受湍流、热晕综合效应影响而导致光束退化的情形。在湍流大气中，一束强激光由发射系统射出，在靠近激光发射系统处，激光光斑呈质量较好的近高斯分布，而一系列表征激光参数、发射系统参数和大气特征参量的物理量符号环绕着光束一并向前传输；最终，激光经大气长程传输后的光束质量明显退化。文中正是给出已知激光参数、发射系统参数和相关大气特征参量的条件下，湍流和热晕综合效应对高能激光大气传输光束扩展规律的预测和评估方法。

文献来源：《光学学报》2022年第24期封面文章 | 孙兴旺, 张庆, 钟哲强, 张彬. 高能激光大气传输光束扩展的定标规律研究[J].光学学报, 2022, 42 (24): 2401008.

激光武器是科幻电影中的“常客”，随着激光技术的不断发展，包括激光武器以及激光通信、激光雷达、激光能量输运在内的先进激光应用技术正在从科幻走向现实。然而，在激光大气工程应用中，上述激光应用系统输出的高能激光经大气远距离传输时，激光与大气相互作用会产生一系列线性和非线性效应，除大气散射效应以外，还主要包括湍流效应和热晕效应，这些效应会导致激光束产生明显的光束扩展，致使到靶光束质量劣化，从而引起激光应用系统的作用效能显著降低。因此，激光大气传输问题一直在激光大气工程应用领域备受重视。
考虑到大气传输环境较为复杂，且激光外场试验成本较高、时间周期较长，在实际激光工程应用中研究并建立一套含湍流和热晕综合效应的激光大气传输光束扩展的定标关系，在多种典型传输参数条件下对高能激光大气传输综合效应及其引起的光束扩展进行快速、准确地预测和评估，对激光大气工程应用具有重要意义。
四川大学张彬教授课题组提出了一种快速预测和评估高能激光大气传输时湍流和热晕综合效应对光束扩展影响规律的新方法，该方法通过计算模拟光束扩展随激光参数、发射系统参数和大气特征参量的变化规律，建立了含衍射、湍流、跟踪抖动和热晕等综合效应在内的激光大气传输引起的光束扩展定标关系：
多场景下激光大气传输光束扩展的定标规律 （1）
式中：At、Bt和N0t分别对应表征衍射及湍流、跟踪抖动和热晕引起的光束扩展速率的拟合系数，均是受激光参数、发射系统参数和大气特征参量影响的函数；β0为初始光束质量因子；D为发射系统口径；r0为大气相干长度；si为发射系统的单轴跟踪抖动误差；sd为理想条件下发射系统的光束衍射角；ND为热畸变参数。式（1）等号右边第一、第二项表征衍射及湍流引起的光束扩展，第三项表征跟踪抖动引起的光束扩展，第四、第五项表征热晕引起的光束扩展。
实际大气传输环境较为复杂，激光经大气传输后的光束质量退化规律会随着激光参数、发射系统参数和大气特征参量的变化而有所不同，主要表现为式（1）中拟合系数At、Bt和N0t随上述参数的变化而变化。因此，以远场63.2%环围功率半径定义计算光束扩展，并针对多种典型参数条件下高能激光大气传输特性进行了大量的数值模拟和比较分析，给出了拟合系数At、Bt和N0t与典型激光参数、发射系统参数和大气特征参量之间的定量关系：
多场景下激光大气传输光束扩展的定标规律（2）
于是，含衍射、湍流、跟踪抖动和热晕等综合效应在内的激光大气传输光束扩展的定标关系式为：
多场景下激光大气传输光束扩展的定标规律（3）
式中：激光波长λ单位为μm，范围为0.35 μm ~7.50 μm；发射系统菲涅耳数NF范围为8~110，大气折射率结构常数取值范围为10-17 m-2/3~10-13 m-2/3，大气相干参数D/r0范围为1~20，Bradley-Herrmann热畸变参数范围为ND≤400。在上述参数范围内，由式（3）计算得到的激光大气传输光束扩展的预测值与数值计算统计结果之间的相对误差小于15%。
结果表明，由跟踪抖动引起的光束扩展受传输参数的影响并不十分明显。然而，当激光的初始光束质量较差时，由衍射和湍流引起的光束扩展随发射系统口径与大气相干长度之比的增大而更快增长。随着发射系统菲涅尔数的增大，光束扩展受热晕的影响也随之增大。本文所建立的定标关系可在不同强度的湍流和热晕效应情况下，对不同功率的激光光束扩展规律做出快速预测和评估，可为激光系统的设计及优化提供重要参考。
在后续的研究工作中，该团队将继续关注激光大气传输定标规律研究，将其进一步拓展至海洋大气环境，并探究不同典型光源（如高斯光束、环形光束、平顶光束、涡旋光束等）对激光大气传输光束扩展规律的影响及其定量关系。同时，结合深度学习方法，进一步发展复杂场景下激光传输规律快速预测和评估新方法。
多场景下激光大气传输光束扩展的定标规律

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课题组简介

四川大学张彬教授课题组长期从事强激光的传输与控制、惯性约束聚变驱动器技术、太赫兹技术及应用等方面的研究，以及专用软件开发及工程技术研发，在激光大气工程应用、惯性约束聚变研究等领域取得了一系列富有特色的创新成果。

在激光大气工程应用方面，首次提出激光大气传输的二阶矩传输理论及光束传输因子理论，发展了一种通过测量大气湍流中光束传输因子变化来确定大气湍流参数的新方法，并针对激光大气工程中的多场景应用需求，开发了一系列激光大气传输与控制专用软件。
在惯性约束聚变研究方面，提出了解决高功率激光系统中激光传输、放大及谐波转换逆问题的逐次逼近迭代法，并发展了多种新型靶面束匀滑技术，可使焦斑内部散斑的光强及偏振以皮秒甚至亚皮秒时间尺度、在多方向进行超快速扫动，有望缓解惯性约束聚变装置中的激光等离子体不稳定性，进而提高束靶耦合效率。
课题组先后承担国家重大专项、国家863计划、国家自然科学基金、国家重点实验室基金等国家及省部级项目四十余项，并荣获国家技术发明二等奖、军队科技进步二等奖、教育部科技进步二等奖，以及其他省部级科技奖励多项，授权国家发明专利十余项。
编辑 | 王晓琰

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