大气自聚焦效应和湍流效应对地基激光空间碎片清理的影响

作     者：邓宇 

作者单位：四川师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：季小玲

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 

主      题：地基激光空间碎片清理 大气自聚焦效应 大气湍流效应 群速度色散效应 非线性相位调制函数二次近似 均匀辐照 光束质量 光的部分相干性 

摘      要：由于人类宇航活动而产生的大量空间碎片给航天器的正常运行带来了巨大隐患,限制了人类进一步探索太空。利用地基激光清除空间碎片是解决这一难题的重要途径之一,而在高功率激光大气传输过程中大气自聚焦效应对激光光束质量有着显著影响。因此,厘清高功率激光大气自聚焦效应对地基激光空间碎片清理的影响具有重要意义。一方面,碎片表面的均匀辐照对激光空间碎片清理十分重要,研究空间碎片上实现激光的均匀辐照是非常必要的。另一方面,高功率激光在大气中除了自聚焦效应,还受湍流效应的影响,且实际中光束都具有部分相干性,因此研究高功率部分相干光经湍流大气上行传输特性具有重要意义。此外,由于高能激光发射系统副镜对光束的遮挡,入射脉冲光束在空间方向将呈环状分布。在自聚焦和群速度色散(GVD)效应影响下,环状脉冲光束将呈现怎样的传输特性?这值得我们深入研究。本论文的具体研究工作包括:1、研究了空间碎片上激光均匀辐照问题。研究发现:由于非均匀大气自聚焦效应引起光束相位调制,平顶激光束从地面上行传输至空间碎片时可出现均匀辐照。我们拟合出了修正焦距公式以实现空间碎片靶面上激光的均匀辐照。此外,还研究了不同阶数的光束自聚焦效应对光束质量的影响,研究表明:即使激光发射功率非常大,如果初始激光为平顶激光,那么在空间碎片靶面上仍然可以获得好的光束质量。但是,初始激光为高斯分布则会造成光束严重畸变。本项研究结果提供了一种实现均匀辐照方法,即:平顶激光束通过非均匀的非线性介质可实现均匀辐照。2、研究了高功率部分相干光经湍流大气上行传输特性。基于“薄窗模型,我们采用非线性相位调制函数的二次近似,推导出了高功率部分相干光经湍流大气上行传输的光强、束宽等光学参量的解析表达式。研究发现,湍流效应对光束的扩展作用非常突出,而通过提高激光入射海拔不仅可以极大的抑制湍流效应,同时也会削弱自聚焦效应带来的不利影响。此外,我们还推导出了靶面光斑最小时,最佳焦距和入射波长的表达式。相关研究结果可为地基激光空间碎片清除系统优化设计提供理论依据。3、研究了高功率环状脉冲光束经大气上行传输特性和光束质量。研究发现:由于自聚焦和GVD效应对光束的调制作用,环状脉冲光束可在传输过程中相继出现脉冲的分裂、自愈和再分裂。另一方面,由于自聚焦效应,存在最佳发射功率使得靶面光强值达到最大,即:当发射功率大于最佳功率时,进一步增加发射功率,反而会使得靶面光强降低。值得注意的是,在功率较低时GVD效应占主导地位,脉宽为纳秒和皮秒量级的入射光束相较于飞秒光束在靶面具有更高的光束质量,而当功率较高时,自聚焦效应起主要作用,飞秒量级的入射光束更具优势。此外,还采用了B积分和Strehl比来研究靶面光束质量。