大气消光和球差对地基激光空间碎片清除的影响

作     者：黄梓樾 

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：2022年

学科分类：08[工学] 

主      题：地基激光空间碎片清除 非线性自聚焦效应 大气消光,最佳发射功率 B积分 等效大气消光系数 球差 激光大气传输 光束质量 

摘      要：人类太空活动产生的大量空间碎片对宇航员和航天器造成了严重威胁。利用地基激光清除空间碎片是有效的方法之一,然而地基激光清除空间碎片时,必然面临高功率激光大气传输的问题。高功率激光在大气传输过程中产生的自聚焦效应会严重影响激光质量。因此,研究大气自聚焦效应对地基激光空间碎片清除的影响具有重要意义。一方面,对于地基激光空间碎片清除,降低碎片靶面激光强度的因素除了自聚焦效应,还有大气消光效应。之前对地基激光空间碎片清除的研究都不涉及大气消光效应的影响,本论文首次研究了大气消光对地基激光空间碎片清除的影响,以及能最大限度提高碎片靶面激光强度的最佳发射功率。另一方面,高功率激光产生过程中的热效应使得光束常伴有球差,因此研究球差对高功率激光上行大气传输光束质量的影响也十分有意义。本论文利用数值模拟方法主要研究了大气消光和球差对地基激光空间碎片清除的影响,具体研究工作包括:1、研究了激光从地面经大气传输至空间碎片的最佳发射功率。研究发现:即使存在大气消光,由于大气自聚焦效应,高功率激光束从地面经大气上行传输至空间碎片过程中存在最佳发射功率使碎片激光强度最大化。此外,还研究了能定量描述自聚焦效应的一个重要参数B积分。研究发现:最佳发射功率对应的B积分的值是一个常数。基于B积分的这一特性和本论文提出的等效大气消光系数简化模型,推导出了能优化碎片靶面上激光强度的最佳发射功率表达式。最佳发射功率随初始光束半径、波长、大气消光系数和气溶胶标高的增大而增大。此项研究工作为优化碎片靶面上的激光强度提供了有效的方法,对空间碎片清除具有重要意义。2、研究了球差对高功率激光上行大气传输光束质量的影响。研究表明:对于大尺寸（光束发射尺寸）光束,利用正球差可提高靶面光强。然而,对于小尺寸光束,则需利用负球差提高靶面光强。并且,大尺寸比小尺寸光束更适合地基激光空间碎片清除等应用。在线性衍射效应和非线性自聚焦效应共同作用下,存在一个最佳发射功率使得靶面光强最大化,本论文拟合出了大尺寸光束的最佳发射功率的公式。另一方面,由于衍射、自聚焦和球差均导致焦移,这使得靶面光束质量变差。本论文推导出了大尺寸光束情况下透镜修正焦距公式,这样可把实际焦点移至靶面,从而提高靶面光束质量。