湍流大氣中雷射能量輸運的相關問題研究

《湍流大氣中雷射能量輸運的相關問題研究》是依託四川師範大學，由季小玲擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：湍流大氣中雷射能量輸運的相關問題研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：季小玲
• 依託單位：四川師範大學

項目摘要

能源和環保問題是人類今後將面臨的兩大嚴峻問題。地球之外有豐富的太陽能，利用雷射輻射把轉換的太陽能輸運到地面上是一個全球性的再生能源新概念。迄今為止，國內外僅提出了利用自聚焦效應可以減少對發射器和接收器尺寸的要求，將強雷射束從空間軌道輸運到地面。然而，對於強雷射的大氣傳輸，光束畸變以及大氣非均勻湍流等因數對光束質量的影響是十分顯著的。另一方面，理論和實驗均證明：部分空間相干光較完全相干光受大氣湍流影響要小。本項目擬研究光束畸變和大氣非均勻湍流等因數對光束初始功率和空間軌道反射鏡尺寸限制的影響；探索部分空間相干光較完全空間相干光是否更有利於減小空間軌道光學器件和地面接收器尺寸的問題。此外，採用解析方法和數值計算模擬相結合的方法，研究大氣非均勻湍流對畸變光束傳輸特性的影響。本項目研究成果可為實際強雷射從空間軌道向地面輸運和控制提供理論基礎和計算依據，具有理論和實際套用意義。

結題摘要

能源和環保問題是人類今後將面臨的兩大嚴峻問題。地球之外有豐富的太陽能，利用雷射輻射把轉換的太陽能輸運到地面上是一個全球性的再生能源新概念。之前的工作僅限於提出了利用自聚焦效應可減少對發射器和接收器尺寸的要求，將強雷射束從空間軌道輸運到地面。然而，對於強雷射的大氣傳輸，光束畸變以及大氣非均勻湍流等因數對光束質量的影響是十分顯著的。本項目主要研究內容、成果及其科學意義如下：(1) 研究了球差效應對強雷射大氣能量輸運的影響。研究發現：對於小尺寸軌道反射鏡，負球差使得雷射光斑壓縮效果更好，光斑能夠小於衍射極限，因此利用負球差可達到更好壓縮光斑尺寸的目的。相關研究成果已在國際TOP學術期刊《Optics Letters》上發表。(2) 研究了光的部分空間相干性對強雷射大氣能量輸運的影響。研究發現：相干性越差的雷射能夠承受的成絲崩塌的閾值臨界功率越大。推導出了獲得最大光束壓縮並保證無成絲崩塌的部分相干雷射的初始功率、軌道反射鏡尺寸與光束空間相關長度滿足的關係式，該理論結果對強雷射大氣能量輸運具有重要指導作用。(3) 研究了非均勻斜程大氣湍流和non-Kolmogorov大氣湍流對雷射能量集中度的影響。研究發現：負球差時，大氣湍流對給定份額光束能量集中度的影響與對給定“桶”半徑內光束能量集中度的影響是不同的；能量Strehl比隨環狀光束遮攔比變化存在一個最大值（此時能量集中度受湍流影響最小）。(4) 研究發現：振幅調製和相位畸變光束受湍流的影響比高斯光束要小。(5) 實驗研究了畸變雷射通過大氣湍流的傳輸特性。研究發現：大氣湍流會削弱球差效應對光束擴展的影響。(6) 研究了部分相干光在大氣湍流中經貓眼光學鏡頭反射光的原路返回特性。研究發現：部分相干光比完全相干光更適合作為主動探測光。(7) 研究了雷射高階矩在大氣湍流中的傳輸特性，推導出了部分相干光在大氣湍流中沿斜程路徑傳輸光束高階矩的矩陣傳輸定律。(8) 研究了大氣熱暈對光束傳輸特性的影響。研究發現：由於熱暈，Airy光束不再能夠保持光束形狀不變，偏心光束質心位置會越過中心而位於另一側。 (9) 研究了斜程大氣湍流對環狀光束閃爍特性的影響，提出了一種減小大氣湍流中光閃爍的方法（即：弱湍流中利用正球差可減小光閃爍），該結果對自由空間光通信具有重要意義。本項目所得研究結果不僅有理論上的創新性，而且可為實際套用提供理論基礎和計算依據。