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GLAD：熱暈效應(yīng)

概述
 

激光在大氣中傳輸時(shí)部分能量被空氣中的分子和氣溶膠吸收。被吸收的熱量將空氣加熱，導(dǎo)致氣壓上升，空氣膨脹，空氣密度降低，折射率下降，形成一個(gè)負(fù)透鏡，使激光束發(fā)散。當(dāng)存在側(cè)向風(fēng)時(shí)，下風(fēng)區(qū)空氣密度降低，因而下風(fēng)區(qū)的折射率減小，形成特有的彎向上風(fēng)區(qū)的光束分布，使光束畸變、彎曲和發(fā)散，劣化光束質(zhì)量。這就是熱暈效應(yīng)。它是激光在大氣中傳輸時(shí)所面臨的嚴(yán)重問題之一。

 

圖1.熱暈效應(yīng)成因示意圖

 

系統(tǒng)描述
 

本例介紹了模擬激光在大氣中傳輸時(shí)熱暈效應(yīng)對應(yīng)的bloom命令的使用。描述熱暈的基本方程包括波動(dòng)方程和流體力學(xué)方程。首先由Maxwell方程得到激光波動(dòng)方程，再結(jié)合流體力學(xué)中的三個(gè)守恒定律——質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律、能量守恒定律得到描述熱暈效應(yīng)的方程。對于理想氣體，在等壓近似下得到： 

 

 

本例對比了三種情況下的激光遠(yuǎn)場分布：（1）沒有大氣像差和熱暈效應(yīng)下的遠(yuǎn)場光強(qiáng)分布；（2）沒有大氣像差但有熱暈效應(yīng)下的遠(yuǎn)場光強(qiáng)分布；（3）同時(shí)考慮大氣像差和熱暈下的遠(yuǎn)場分布。通過對比我們會(huì)發(fā)現(xiàn)熱暈效應(yīng)會(huì)使光束焦點(diǎn)前移，焦斑沿垂直光軸方向發(fā)生位移，焦斑畸變，尺寸變大。

模擬結(jié)果

 

    

圖1.不含大氣像差和熱暈效應(yīng)的遠(yuǎn)場分布，此時(shí)光束的焦點(diǎn)在4km處，光斑尖銳。

圖2.熱暈效應(yīng)導(dǎo)致的3.5km處的光斑分布，此時(shí)光束的焦點(diǎn)已經(jīng)前移到2.7km，由于光斑變大，光強(qiáng)也顯著降低，光斑的分布呈現(xiàn)出糖匙形狀。

 
   

圖3.熱暈效應(yīng)和大氣像差共同決定的3.5km處的光斑分布，此時(shí)光束的焦點(diǎn)進(jìn)一步前移到1.8km，由于光斑變大，光強(qiáng)顯著降低，光斑的分布呈現(xiàn)顯著的旁瓣。