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大气消光和球差对地基激光空间碎片清除的影响

大气消光和球差对地基激光空间碎片清除的影响

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作者：黄梓樾四川师范大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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。

关键词：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

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光束空间相干性对激光在非线性介质中传输自聚焦效应的影响

光束空间相干性对激光在非线性介质中传输自聚焦效应的影响

引用

作者：王欢四川师范大学

学位级别：硕士

强激光在非线性介质中传输时会发生自聚焦效应,从而影响光束的传输特性与质量。实际情况中,总是会遇到部分相干光(PCBs),并且光束空间相干性与自聚焦效应有关。因此研究PCBs在非线性介质中的传输是有必要的。此外,自聚焦效应会导致介质... 详细信息

强激光在非线性介质中传输时会发生自聚焦效应,从而影响光束的传输特性与质量。实际情况中,总是会遇到部分相干光(PCBs),并且光束空间相干性与自聚焦效应有关。因此研究PCBs在非线性介质中的传输是有必要的。此外,自聚焦效应会导致介质发生光学损伤。之前关于非线性介质中准稳态(QSS)自聚焦的研究仅局限于完全相干脉冲光。因此研究部分相干脉冲光(PCLPs)的QSS自聚焦理论是非常有意义的。另一方面,地基激光空间碎片清除将受衍射和大气自聚焦效应的影响,而光束空间相干性与这两种效应有关。因此研究光束空间相干性对地基激光清除空间碎片的影响是十分重要的。本论文主要研究了光束空间相干性对激光在非线性介质中传输自聚焦效应的影响,具体研究工作包括:1、研究了PCBs在非线性介质中的传输特性。推导出了PCBs在非线性介质中的解析传输公式(如:束宽、空间相干长度、曲率半径),以及反转相干距离、自陷相干长度、瑞利长度、远场发散角和M 因子等光束参量的解析公式。研究表明:当传输距离大于反转相干距离时,自散焦情况下的光束空间相干性要优于自聚焦情况下的。并且,最优化光束应涉及光束空间相干性和准直性之间的权衡。重新定义了PCBs在非线性介质中的复参数,并证明:若采用新定义的复参数,PCBs在含光学系统的非线性介质中传输时,ABCD定律仍然成立,这为研究PCBs在非线性介质中的传输提供了一种简单的方法。2、研究了PCLPs在非线性介质中的QSS自聚焦理论。推导出了PCLPs在非线性介质中传输随时间变化的解析公式,包括:束宽、空间相干长度和自聚焦焦距等。主要分析了光束空间相干性对自聚焦焦距和焦移的影响。研究表明:随着光束空间相干性降低,则自聚焦焦距和焦点出现时间增加,同时出现的两个焦点的间距减小,在脉冲传输相反方向上的焦点移动距离和时间减小。研究发现:PCLPs比完全相干脉冲光在避免材料发生光学损伤方面更具优势,该结论对实际应用具有重要意义。3、研究了光束空间相干性对地基激光清除空间碎片的影响。推导出了PCBs从地面经大气到达空间碎片传输时,光束束宽、空间相干长度和曲率半径的解析式。衍射和自聚焦效应导致焦移,研究表明:仅当初始空间相干长度大于临界值时,才能通过初始光束预散焦将实际焦点移至碎片。推导出了使PCBs实际焦点移至碎片的修正透镜焦距F的解析公式,F随着初始空间相干长度的减小而增大。此外,只有当F小于某一最大值时,才能有效地补偿衍射和自聚焦效应造成的不利影响。本结论对地基激光空间碎片清除具有重要意义。

关键词：自聚焦效应光束空间相干性部分相干光 ABCD定律部分相干脉冲激光准稳态自聚焦地基激光空间碎片清除

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