近紅外激光水面傳輸熱暈效應縮比實驗研究

葛成良，張飛舟，張 凱，雒仲祥，童立新

(1.中國工程物理研究院 應用電子學研究所，綿陽 621999；2.北京應用物理與計算數學研究所，北京 100088)

引 言

強激光在大氣中傳輸時，尤其在目標靜止的時候，大氣吸收強激光能量導致的熱暈效應會導致光斑的畸變。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速分布。參考文獻[1]～參考文獻[17]中對強激光大氣傳輸的熱暈效應開展了各種理論分析、仿真和補償等研究，形成了較為完善的理論體系。參考文獻[18]～參考文獻[21]中也開展了激光大氣傳輸和熱暈等相關實驗研究，但其主要是集中在地面大氣和實驗室的實驗研究，而波長1000nm附近的連續強激光在水面上的大氣傳輸熱暈效應實驗研究鮮見報道。

本文作者基于理論分析，借鑒熱畸變數，通過縮比實驗，開展了波長在1000nm左右的連續高能激光水面大氣傳輸熱暈效應實驗研究，其實驗結果為激光水面大氣傳輸規律的深入研究提供了很好的實驗依據。

1 熱畸變數

強激光在大氣中傳輸時，大氣吸收強激光能量積累到一定程度產生的熱暈效應會導致光斑的畸變。影響熱暈的主要因素是大氣對激光的吸收特性、系統及目標的運動速度和傳輸光路上的風速分布。均勻光路上，對于準直傳輸的光束，熱暈的強度可由Bradley-Hermann熱畸變數描述：

(1)

式中，|?n/?T|=Cn(λ)P(z)/T2(z)為折射率n溫度T梯度，Cn(λ)表示大氣折射率結構常數,λ為波長，k為波數，α為大氣吸收系數，P為發射功率，z為傳輸距離，D為發射口徑，v為光路上的風速，ρ為大氣密度，cp為大氣比熱容。對于聚焦傳輸的情況，光斑尺度隨傳輸而變化，可以采用沿光路的積分進行計算。

對于輸出波長為1.064μm的固體激光，目前國內尚缺乏對其大氣吸收和散射特性的確切研究數據，因此將主要以參考資料數據進行推算。采用Hitran數據庫計算表明，美國標準大氣模式下，水汽對1.064μm激光的吸收系數為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雜，與氣溶膠的類型、分布等緊密相關。以此對傳輸1.2km條件下的熱暈效應進行計算，在水面風速為0.2m/s的低風速條件下，采用以上系統參數，熱畸變數僅約0.16，不會產生明顯的熱暈效應，如圖1所示。圖中,功率為10kW，光束質量因子為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

依據描述熱暈效應的熱畸變數公式，可以采用縮比系統的熱暈效應定標試驗，判斷典型系統的熱暈效應。

對比計算了S0,S1,S23套發射系統在不同參量條件下對水平固定目標聚焦傳輸的熱畸變數及到靶光斑特征。3套系統的參量分別為：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，大氣消光系數均為0.15/km，自然風速均為0.2m/s。

圖2中給出了在上述條件下計算得到的熱畸變數。發現S0,S1,S23套發射系統的熱畸變數都很接近。通過對7kW高能固體激光小口徑發射傳輸的聚焦特性的定標分析，可判斷較高功率、較大口徑發射情況下高能固體激光水面傳輸的熱暈效應。

Fig.2 Thermal aberration number of different system parameters

2 小口徑發射熱暈驗證實驗

根據理論分析，采用56mm口徑的發射系統直接發射7kW高能固體激光，照射1km距離上的靶標，根據靶上光斑特性驗證高功率高能固體激光水面傳輸熱暈特性。實驗光路如圖3所示,圖中還展示了理論分析得到的到靶光斑。實驗條件為：距離1km、風速小于2m/s、光源功率7kW、發射口徑56mm。圖4為理論仿真結果,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是實驗中靶點纖維板上典型光斑，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架上的一個小掛牌，從其懸掛的形態可以看出此時的風速極低。比較圖4和圖7的理論仿真結果、實驗結果，在實驗選擇的參數情況下，實驗與理論分析得到一致的結論，即該功率、發射口徑和傳輸路徑條件下，1000nm附近的高能激光水面傳輸沒有明顯的熱暈效應。

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 論

實驗結果表明，采用56mm口徑直接發射7kW高能固體激光，激光水面傳輸1km后未發現明顯的熱暈效應。據此實驗結果，通過定標分析，可判斷較高功率、較大口徑發射情況下高能固體激光水面傳輸的熱暈效應。

感謝龐淼等同事給予的實驗支持。