GLAD：热晕效应

概述激光在大气中传输时部分能量被空气中的分子和气溶胶吸收。被吸收的热量将空气加热导致气压上升空气膨胀空气密度降低折射率下降形成一个负透镜使激光束发散。当存在侧向风时下风区空气密度降低因而下风区的折射率减小形成特有的弯向上风区的光束分布使光束畸变、弯曲和发散劣化光束质量。这就是热晕效应。它是激光在大气中传输时所面临的严重问题之一。图1.热晕效应成因示意图系统描述本例介绍了模拟激光在大气中传输时热晕效应对应的bloom命令的使用。描述热晕的基本方程包括波动方程和流体力学方程。首先由Maxwell方程得到激光波动方程再结合流体力学中的三个守恒定律——质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律得到描述热晕效应的方程。对于理想气体在等压近似下得到本例对比了三种情况下的激光远场分布1没有大气像差和热晕效应下的远场光强分布2没有大气像差但有热晕效应下的远场光强分布3同时考虑大气像差和热晕下的远场分布。通过对比我们会发现热晕效应会使光束焦点前移焦斑沿垂直光轴方向发生位移焦斑畸变尺寸变大。模拟结果图1.不含大气像差和热晕效应的远场分布此时光束的焦点在4km处光斑尖锐。图2.热晕效应导致的3.5km处的光斑分布此时光束的焦点已经前移到2.7km由于光斑变大光强也显著降低光斑的分布呈现出糖匙形状。图3.热晕效应和大气像差共同决定的3.5km处的光斑分布此时光束的焦点进一步前移到1.8km由于光斑变大光强显著降低光斑的分布呈现显著的旁瓣。