葛成良，張飛舟，張 凱，雒仲祥，童立新

(1.中國工程物理研究院 應(yīng)用電子學(xué)研究所，綿陽 621999；2.北京應(yīng)用物理與計(jì)算數(shù)學(xué)研究所，北京 100088)

引 言

強(qiáng)激光在大氣中傳輸時(shí)，尤其在目標(biāo)靜止的時(shí)候，大氣吸收強(qiáng)激光能量導(dǎo)致的熱暈效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致光斑的畸變。影響熱暈的主要因素是大氣對激光的吸收特性和傳輸光路上的風(fēng)速分布。參考文獻(xiàn)[1]～參考文獻(xiàn)[17]中對強(qiáng)激光大氣傳輸?shù)臒釙炐?yīng)開展了各種理論分析、仿真和補(bǔ)償?shù)妊芯浚纬闪溯^為完善的理論體系。參考文獻(xiàn)[18]～參考文獻(xiàn)[21]中也開展了激光大氣傳輸和熱暈等相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究，但其主要是集中在地面大氣和實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)研究，而波長1000nm附近的連續(xù)強(qiáng)激光在水面上的大氣傳輸熱暈效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究鮮見報(bào)道。

本文作者基于理論分析，借鑒熱畸變數(shù)，通過縮比實(shí)驗(yàn)，開展了波長在1000nm左右的連續(xù)高能激光水面大氣傳輸熱暈效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果為激光水面大氣傳輸規(guī)律的深入研究提供了很好的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 熱畸變數(shù)

強(qiáng)激光在大氣中傳輸時(shí)，大氣吸收強(qiáng)激光能量積累到一定程度產(chǎn)生的熱暈效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致光斑的畸變。影響熱暈的主要因素是大氣對激光的吸收特性、系統(tǒng)及目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度和傳輸光路上的風(fēng)速分布。均勻光路上，對于準(zhǔn)直傳輸?shù)墓馐瑹釙灥膹?qiáng)度可由Bradley-Hermann熱畸變數(shù)描述：

(1)

式中，|?n/?T|=Cn(λ)P(z)/T2(z)為折射率n溫度T梯度，Cn(λ)表示大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù),λ為波長，k為波數(shù)，α為大氣吸收系數(shù)，P為發(fā)射功率，z為傳輸距離，D為發(fā)射口徑，v為光路上的風(fēng)速，ρ為大氣密度，cp為大氣比熱容。對于聚焦傳輸?shù)那闆r，光斑尺度隨傳輸而變化，可以采用沿光路的積分進(jìn)行計(jì)算。

對于輸出波長為1.064μm的固體激光，目前國內(nèi)尚缺乏對其大氣吸收和散射特性的確切研究數(shù)據(jù)，因此將主要以參考資料數(shù)據(jù)進(jìn)行推算。采用Hitran數(shù)據(jù)庫計(jì)算表明，美國標(biāo)準(zhǔn)大氣模式下，水汽對1.064μm激光的吸收系數(shù)為5.2×10-5/km。說明水汽對1.064μm激光的吸收很小。氣溶膠的吸收和散射較為復(fù)雜，與氣溶膠的類型、分布等緊密相關(guān)。以此對傳輸1.2km條件下的熱暈效應(yīng)進(jìn)行計(jì)算，在水面風(fēng)速為0.2m/s的低風(fēng)速條件下，采用以上系統(tǒng)參數(shù)，熱畸變數(shù)僅約0.16，不會(huì)產(chǎn)生明顯的熱暈效應(yīng)，如圖1所示。圖中,功率為10kW，光束質(zhì)量因子為6.7,口徑為0.45m,水平傳輸距離為1.2km,斜距為2km,大氣透過率為70%。

Fig.1 Thermal blooming under conditions of pure turbulence

依據(jù)描述熱暈效應(yīng)的熱畸變數(shù)公式，可以采用縮比系統(tǒng)的熱暈效應(yīng)定標(biāo)試驗(yàn)，判斷典型系統(tǒng)的熱暈效應(yīng)。

對比計(jì)算了S0,S1,S23套發(fā)射系統(tǒng)在不同參量條件下對水平固定目標(biāo)聚焦傳輸?shù)臒峄償?shù)及到靶光斑特征。3套系統(tǒng)的參量分別為：口徑Ф0=6mm、功率P0=7kW、傳輸距離z0=1km;口徑Ф1=48mm、功率P1=7kW、傳輸距離z1=3km;口徑Ф2=66mm、功率P2=70kW、傳輸距離z2=5km。另外，大氣消光系數(shù)均為0.15/km，自然風(fēng)速均為0.2m/s。

圖2中給出了在上述條件下計(jì)算得到的熱畸變數(shù)。發(fā)現(xiàn)S0,S1,S23套發(fā)射系統(tǒng)的熱畸變數(shù)都很接近。通過對7kW高能固體激光小口徑發(fā)射傳輸?shù)木劢固匦缘亩?biāo)分析，可判斷較高功率、較大口徑發(fā)射情況下高能固體激光水面?zhèn)鬏數(shù)臒釙炐?yīng)。

Fig.2 Thermal aberration number of different system parameters

2 小口徑發(fā)射熱暈驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

根據(jù)理論分析，采用56mm口徑的發(fā)射系統(tǒng)直接發(fā)射7kW高能固體激光，照射1km距離上的靶標(biāo)，根據(jù)靶上光斑特性驗(yàn)證高功率高能固體激光水面?zhèn)鬏敓釙炋匦?。?shí)驗(yàn)光路如圖3所示,圖中還展示了理論分析得到的到靶光斑。實(shí)驗(yàn)條件為：距離1km、風(fēng)速小于2m/s、光源功率7kW、發(fā)射口徑56mm。圖4為理論仿真結(jié)果,r0為大氣相干長度。

Fig.3 Schematic diagram of experiments

Fig.4 Simulation results of thermal blooming of 7kW high energy laser with small diameter

圖5和圖6是實(shí)驗(yàn)中靶點(diǎn)纖維板上典型光斑，圖7是測試靶上的光斑。如圖5所示，虛線圓中物體是掛在測試靶機(jī)架上的一個(gè)小掛牌，從其懸掛的形態(tài)可以看出此時(shí)的風(fēng)速極低。比較圖4和圖7的理論仿真結(jié)果、實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在實(shí)驗(yàn)選擇的參數(shù)情況下，實(shí)驗(yàn)與理論分析得到一致的結(jié)論，即該功率、發(fā)射口徑和傳輸路徑條件下，1000nm附近的高能激光水面?zhèn)鬏敍]有明顯的熱暈效應(yīng)。

Fig.5 Laser spot on the target board

Fig.6 Laser spot on the target board with successive 3 frames

Fig.7 Laser spot on the focal plane of detector

3 結(jié) 論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用56mm口徑直接發(fā)射7kW高能固體激光，激光水面?zhèn)鬏?km后未發(fā)現(xiàn)明顯的熱暈效應(yīng)。據(jù)此實(shí)驗(yàn)結(jié)果，通過定標(biāo)分析，可判斷較高功率、較大口徑發(fā)射情況下高能固體激光水面?zhèn)鬏數(shù)臒釙炐?yīng)。

感謝龐淼等同事給予的實(shí)驗(yàn)支持。