（光學(xué)工程專業(yè)論文）氣動光學(xué)的工程研究.pdf

國防科學(xué)技術(shù)人學(xué)研究生院學(xué)位論文 氣動光學(xué)的工程研究 摘要 高能激光的產(chǎn)生 輸出和傳輸?shù)冗^程中 氣流均會不同程度地影響光束質(zhì)量 氣動光學(xué)正是研究氣流運(yùn)動與電磁波傳播之間相互作用的一門新興學(xué)科 本文從理 論和實(shí)驗(yàn)兩個方面對氣動光學(xué)在激光腔 氣動窗口 激光傳輸管和大氣中的應(yīng)用進(jìn) 行了研究和探討 根據(jù)介質(zhì)的特征 將氣動非均勻介質(zhì)分為有序 隨機(jī)和大氣湍流三種類型 在 此基礎(chǔ)上 分析討論了一套激光在三種介質(zhì)中的傳輸模型及光束質(zhì)量評價方法 建 立了h f d f 化學(xué)激光器腔內(nèi)和激光傳輸管及室內(nèi)靜止大氣中的氣動光學(xué)數(shù)值模型 推導(dǎo)了強(qiáng)激光技術(shù)中常用的光束質(zhì)量定義在小擾動條件下的相互關(guān)系 對常用 的光束質(zhì)量b 因子在多隨機(jī)擾動條件下的公式進(jìn)行了修正 進(jìn)一步分析了隨機(jī)擾動 和有序擾動的測量方法 指出在兩種擾動同時存在的條件下 橫向剪切干涉儀 l s i 可以同時對兩種擾動進(jìn)行測量 因而是近場測量氣動非均勻介質(zhì)對光束質(zhì)量影響的 較好的研究方法 在有序擾動的測量中 從波前信息采樣的角度比較了l s i 和 h a r t m a n n 波前傳感器差別 在l s i 的基礎(chǔ)上 提出了波前延拓剪切干涉 w p s i 的波 前重構(gòu)及實(shí)現(xiàn)方法 考慮到w p s i 的裝置的復(fù)雜 在l s i 的測量基礎(chǔ)上 利用波前 延拓的假設(shè) 通過小波變換實(shí)現(xiàn)了基于小波變換的l s i 的波前重構(gòu)新算法 對3 s l o t 噴管結(jié)構(gòu)的h f d f 化學(xué)激光器腔內(nèi)的運(yùn)行情況進(jìn)行了全面的數(shù)值模 擬 計(jì)算了腔內(nèi)介質(zhì)在流場方向和腔軸方向上的二維有序不均勻分布 分析了腔內(nèi) 流場對不均勻性的影響 并與傳統(tǒng)的2 s l o t 噴管和單氧化劑噴管結(jié)構(gòu)的激光器腔內(nèi) 的介質(zhì)不均勻性進(jìn)行了比較 分析三種噴管結(jié)構(gòu)的氣流對介質(zhì)不均勻性的影響 對 非穩(wěn)腔激光輸出 介質(zhì)不均勻性對輸出波前擾動進(jìn)行了分析 計(jì)算了在望遠(yuǎn)式非穩(wěn) 腔條件下 有序不均勻介質(zhì)擾動對光束質(zhì)量的影響 討論了氣動窗口的一般原理及其對光束波前的影響 著重分析了自由旋氣動窗 口的工作原理及氣動光學(xué)特征 對一套3 0 m m 3 0 m m 口徑的自由旋氣動窗口的氣 動光學(xué)量進(jìn)行了l s i 測量 重構(gòu)了有序擾動在流場方向上的一維波前分布 給出了 光束質(zhì)量因子 與斜激波 膨脹波或聯(lián)合機(jī)制的氣動窗口進(jìn)行了比較 測量分析了 氣動窗口的隨機(jī)不均勻擾動的分布 用同樣的裝置 對萬瓦級c o 激光器的腔內(nèi)介 質(zhì)不均勻性進(jìn)行了測量診斷 通過測量給出了介質(zhì)對波前擾動的最大傾斜量和隨機(jī) 擾動的尺度分布 診斷表明 激光器的噴管已有燒蝕 喉道寬度不均勻 造成了腔 內(nèi)隨機(jī)不均勻起伏較大 利用強(qiáng)激光傳輸?shù)拇髿饬黧w動力學(xué)模型 對強(qiáng)激光傳輸過程中的大氣溫升進(jìn)行 了解析和數(shù)值估算 進(jìn)一步 利用該模型對室內(nèi)低風(fēng)速 靜止大氣和光束傳輸管道 大氣中的熱暈現(xiàn)象進(jìn)行了數(shù)值模擬 對強(qiáng)激光 1 0 0 k w 級 細(xì)光束 巾1 0 0 m m 近距離 1 0 m 級 室內(nèi)傳輸 熱暈對光束質(zhì)量影響的嚴(yán)重性進(jìn)行了估算 并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 提出了消除熱暈的一些手段 另外對激光主動照明中存在的后向散射問題建立了窄 光束激光照明的后向散射物理模型 并進(jìn)行了試驗(yàn)研究 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)舔究生院學(xué)位論文 吲防科學(xué)技術(shù)人學(xué)研究生院學(xué)f t 論文 s t u d y o nt h e a p p l i c a t i o no fa e r o o p t i c s a b s t r a c t i nt h ec o u r s e so fh i g h e n e r g yl a s e r h e l o p e r a t i o n e x t r a c t i n gb e a mf r o ml a s e ra n dl a s e rb e a m p r o p a g a t i o n t h ef l o ww i l lc a u s el a s e rb e a mq u a l i t yd e g r a d a t i o na e r o o p t i c si s an e w s u b j e c ti nw h i c h t h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nf l u i dm o t i o na n de l e c t r o l n a g n e t j cw a v ep r o p a g a t i o ni si n v e s t i g a t e dt i l ea e r o o p t i c a la p p l i c a t i o n si nl a s e rc a v i t y a e r o d y n a m i cw i n d o w s a d w b e a mt r a n s p o r tt u b e b t t a n d a u n o s p h e r ea r es t u d i e dt h e o r e t i c a l l ya n de x p e r i m e n t a l l y b yt h ec h a r a c t e r i s t i c s t i l ea e r o d y n a m i c m e d i u mc a nb ed i v i d e di n t ot h r e et y p e so fo r d e r e d r a n d o ma n dt u r b u l e n ti n h o m o g e n e i t i e sa p h y s i c a lm o d e la n dt h ee v a l u a t i o nf a c t o r so f b e a m q u a l i t yo n l a s e rp r o p a g a t i o ni nt h r e et y p e so fm e d i aa r ed i s c u s s e da n da n a l y z e d t h en u m e r i c a lm o d e l so fa e r o o p t i c si n h f d fc o n t i n u o u sw a v ec h e m i c a ll a s e r c w c l l a s e rc a v i t y b t ta n di n d o o ra t m o s p h e r e a r es e tu p t i l er e l a t i o no fs e v e r a ld e f i n i t i o n so fb e a mq u a l i t yi nh e lt e c h n o l o g yi sd e d u c e du n d e rt i l e s u p p o s i t i o n o fs m a l ld i s t u r b a n c ea n dt i l ef o r m u l ao ff a c t o r 1 3 i sa l s or e v i s e df r o mt h ea n a l y s i so n x a v e f r o n ta b e r r a t i o n b yh i g h s p e e da i r f l o w i t w a sp o i n t e do u tt h a t a e r o o p t i c si n h o m o g e n e i t y i s c o n s i s t e do fl a r g e s c a l eo r d e r e da n ds m a l l s c a l er a n d o mi n h o m o g e n e i t yh o w e v e r t h el a t e r a ls h e a r i n t e r f e r o m e t e r l s l lc a nr e a l i z et h et w ok i n d so fm e a s u r e m e n t a n di t i st h eb e t t e rt o o lf o ra e r o o p t i c a l t e s tf o ro r d e r e da b e r r a t i o n i ti sd e d u c e da n ds i m u l a t e dt h a tt h ea b i l i t yo fw a v e f r o n tr e c o n s t r u c t i o no f l s ii sb e t t e rt h a nh a r t m a n nw a v e f f o n ts e n s o r h w s f o rt h ei n d i r e c t s a m p l i n gi n f o r m a t i o n o f w a v e f r o n tw i t hl s ii sm o r et h a nh w si nt i l eb a s eo fl s l t h ew a v e f r o n tp r o l o n g a t i o ns h e a r i n t e r f e r o m e t e r w p s i i sp r e s e n t e d a n do nt h ea s s u m p t i o no fw p s i an e wa l g o r i t h mo fw a v e f r o n t r e c o n s t r u c t i o nb a s eo nw a v e l e tt r a n s f o r mi sp u tf o r w a r d t i l ef l o wf i e l di n 3 s l o t 3 s 1s t r u c t u r eh f d fc w c lc a v i t y i ss i m u l a t e dn u m e r i c a l l yt h e2 d i m e n s i o nr e f r a c t i v ei n d e xm o d e l l ss e tu pt os i m u l a t et h ei n h o m o g e n e i t vd i s t r i b u t i o n si nl a s e rc a v i t i e s w i t hi t t h ep e r f o r m a n c ea n db e a m q u a l i t yi n3 sa n d2 s l o ts t r u c t u r el a s e r sa r ec o m p u t e da n da n a l y z e d b yt b es i m u l a t i o n i ti ss h o w n t h a tt h eo r d e r e da e r o o p t i c a la b e r r a t i o n si nt h et e l e s c o p i cu n s t a b l ec a v i t y a r en o ts e r i o u si nn o z z l e sa r r a yo f1 ml e n g t hb u tw i t ht h ei n c r e a s eo f t h el e n g t ho f n o z z l e sa r r a y i tw i l l b ei m p o r t a n t e s p e c i a l l yt oo v e r t o n eh fl a s e r s i na d d i t i o n t h ep e r f o r m a n c ea n db e a m q u a l i t yo f3 si s b e t t e rt h a n2 s t h eg e n e r a l p r i n c i p l e a n da f f e c to nb e a mq u a l i t yo fa d wi sd i s c u s s e d a n dt i l e a e r o o p t i c a l c h a r a c t e r i s t i c so ff r e e v o r t e xa e r o d y n a m i cw i n d o w s f a d w i s e m p h a s i z e d t h ei n h o m o g e n e i t yi n a3 0 1 n m x 3 0 m m s i z ef a d wi sm e a s u r e dw i t hl s im o r e o v e r t h eo n ed i m e n s i o nw a v e f r o n ta b e r r a t i o n i no u t p u tw i n d o ww a sr e c o n s t r u c t e da n dt h er a n d o mi n h o m o g e n e o u ss c a l ed i s t r i b u t i o ni s g i v e na l s o t h e c o m p a r i s o n b e t w e e nf a d wa n do t h e ra d w si sm a d ew i t ht h i sm e t h o d t h e a e r o o p t i c a l i n h o m o g e n e i t yi n a1o k w c 0 2g a s d y n a m i c l a s e rc a v i t yi s m e a s u r e d t h ed i a g n o s i ss h o w st h a tt h e c a u s eo fr a n d o mi n h o m o g e n e i t yi sa b l a t i o no fn o z z l et h r o a t s t h ea t m o s p h e r i ct e m p e r a t u r er i s ew i t hh e l p r o p a g a t i o ni sc a l c u l a t e da n a l y t i c a l l ya n dn u m e r i c a l l y 翻防科學(xué)技零入學(xué)嘏究生院掌位論文 印a i rf l u i dd y n a m i c sm o d e l a f d m f u r t h e r m o r e t h et h e r m a lb l o o m i n gi n8 玎a n di n d o o r a t m o s p h e r ei ss i m u l a t e db ya f d m f o rh i g hp o w e rl a s e r i o o k w w i t hs m a l lb e a ms i z e 一l o o m m l p r o p a g a t e si n i n d o o ra i r t h eb e a mq u a l i t yd e g r a d a t i o nc a u s e db yt h e r m a lb l o o m i n gi se s t i m a t e d a n d t e s t e db y e x p e r i m e n t s a l s o s o m em e t h o d s 怨re l i m i n a t i n gt h e r m a lb l o o m i n g a r ed i s c u s s e di na d d i t i o n ab a c k s c a t t e r i n gm o d e lb a s e do nl a s e ri l l u m i n a t i n gi ss e tu pa n dd i s c u s s e du n d e ra c t u a la t m o s p h e r e t h em o d e li s e s t e d k e 3 v o r d s a e r o o p t i c s h i g he n e r g yl a s e r a e r o d y n a m i cw i n d o w s b e a mt r a n s p o r tt u b e t h e r m a l b l o o m i n g b e a mq u a l i t y w a v e f r o n tr e c o n s t r u c t i o n w a v e f r o n tp r o l o n g a t i o n w a v e l e tt r a n s f o r m l a s e ri l l u m i n a t i n g b a c k s c a t t e r i n g v l 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院學(xué)位論文 第一章序言 1 1 氣動光學(xué)的概況與內(nèi)容 現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展 學(xué)科的細(xì)分與學(xué)科之間的交叉融合已成為一種必然趨勢 氣動光學(xué) a e r oo p t i c s 便是高能激光 h i g he n e r g yl a s e r h e l 技術(shù) 氣動 a e r o d y n a m i c 技術(shù)和空間 a e r o s p a c e 技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物 在了解氣動光學(xué)的定義之前 讓我們來回顧一下氣動光學(xué)產(chǎn)生的背景 h e l 對氣流的要求 在激光器的發(fā)展過程中 激光的高功率 能量輸出和良好的光束質(zhì)量一直是激 光研究的工程技術(shù)人員所關(guān)心的目標(biāo) 而連續(xù)波高功率或重復(fù)運(yùn)行的高能激光器的 研究 需要采用流過腔體的氣流 l i j 另外 隨著激光輸出功率的增高 晶體 輸出窗口越來越對激光功率的提高產(chǎn)生了限制 2 1 盡管晶體窗口得到了深入廣泛的 研究i 但氣動窗口 a e r o d y n a m i cw i n d o w a d w 必將成為最佳選擇口 因而 在 這樣一類與氣流密切相關(guān)的激光器如氣動激光器 g a sd y n a m i cl a s e r g d l 連續(xù)波 化學(xué)激光器 c o n t i n u o u sw a v ec h e m i c a ll a s e r c w c l 和a d w 的設(shè)計(jì)制造的過程中 必然要研究和解決激光與氣流之間的相互作用的問題 激光束的傳輸 激光光束以其高相干性和小發(fā)散角 一直是空間能量輸運(yùn)口 空間通信 6 l 武 器應(yīng)用 1 等領(lǐng)域研究的重要課題 由于大氣中的吸收 散射 湍流 高能激光引起 的大氣熱暈等一系列氣流與激光的相互作用 給激光在大氣中的傳輸?shù)难芯吭斐闪?極大的困難 i8 而氣動光學(xué)正是對大氣中氣流與激光相互作用研究的基本手段 飛行物體及空間天文成像 除了大氣中本身的流場外 由于飛機(jī) 導(dǎo)彈等飛行物體的高速飛行 在飛行物 體表面附近產(chǎn)生了十分復(fù)雜的氣流層 8 如果這些氣流層在飛行物體的成像或激光 輸出的窗口上 將會對通過窗口成像的光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量或通過窗口輸出的激光 束的光束質(zhì)量產(chǎn)生一定的影響 同樣 利用星體導(dǎo)航的導(dǎo)彈也會因此類似的不利影 響產(chǎn)生角度誤差 另外 空基天文觀察也會受氣動光學(xué)的影響 激光在管道或風(fēng)洞中的傳輸與研究 另外 高能激光在某些特定的情況下需要在特殊的環(huán)境 比如管道或風(fēng)洞 中傳 輸 9 由于環(huán)境的特殊性 環(huán)境受強(qiáng)激光的影響比較明顯 則需要對環(huán)境受激光輻照 后氣動性質(zhì)的光學(xué)效應(yīng)進(jìn)行研究 a l i e ne f u h s 曾指出氣動光學(xué)是激光空氣動力學(xué) 包括與激光有關(guān)的氣流現(xiàn)象 的一個分支 l 從上述種種氣動光學(xué)現(xiàn)象我們可以給出氣動光學(xué)的一個定義 狹義 地講 氣動光學(xué)是研究由穩(wěn)態(tài) 非穩(wěn)態(tài)或隨機(jī)的氣流運(yùn)動引起的折射率場和電磁波 傳播之間相互作用的學(xué)科與方法 對于氣動光學(xué)的研究 國外在7 0 年代中后期就有了許多關(guān)于此類現(xiàn)象的報道 第1 頁 國防科學(xué)技術(shù)人學(xué)研究生院學(xué)位論文 8 0 年代初 f u h s 對諸多氣動光學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行了歸納與概括 i 8 2 年k e i t hg g i l b e r t 和 l e o n a r dj o t t e n 出版了 a e r o o p t i c a lp h e n o m e n a 一書 對與飛行器有關(guān)的氣動 光學(xué)進(jìn)行了綜述 這兩篇文章對氣動光學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展起到了很大的推進(jìn)作用 8 4 年 g e o r g ews u t t o n 在f u h s 和g i l b e r t 工作的基礎(chǔ)上給氣動光學(xué)進(jìn)行了定義 在 認(rèn)識上對氣動光學(xué)得到了統(tǒng)一 并沿光束傳輸?shù)穆窂綄鈩庸鈱W(xué)進(jìn)行了劃分 大 體j 二分為五個部分 1 在激光器 或相機(jī) 望遠(yuǎn)鏡 中 2 在屏蔽流中f 屏蔽流是將激 光與外界傳輸路徑分開的流層 如a d w 3 在光束傳輸管中 4 在光束傳輸管末 端和當(dāng)?shù)丨h(huán)境 0 n 飛行器表面的流場中 之間的區(qū)域內(nèi) 5 在大氣中 可以看出 氣動光學(xué)所研究的領(lǐng)域相當(dāng)廣闊和復(fù)雜 它貫穿了從激光的產(chǎn)生 發(fā)射到傳輸?shù)侥繕?biāo)的全過程 1 2 1 到目前為止 尚缺乏統(tǒng)一的 完善的理論和研究 方法 由于大氣光學(xué)理論比較成熟 大氣光學(xué)的許多光學(xué)理論已經(jīng)在氣動光學(xué)的研 究巾得到了借鑒 尤其在湍流擾動的研究方面 l 然而氣動光學(xué)的研究更多涉及的 是超音速氣流 在超音速氣流中 往往存在激波 膨脹波等復(fù)雜的波系 存在邊界 層 混合層 剪切層 當(dāng)然高速的氣流引起的大r e y n o l d s 數(shù)也必然導(dǎo)致了高速的湍 流的存在 對于這樣一類與高速氣流相關(guān)的光學(xué)問題 流體動力學(xué)過程的研究變得 相當(dāng)重要 我們知道 流體動力學(xué)無論在低速流體還是超音速流體的時穩(wěn)解方面已 經(jīng)相當(dāng)成熟 而對于隨機(jī)擾動過程的求解 尤其是超音速隨機(jī)過程的求解在許多情 況下尚無能為力 因而如果從時間尺度的角度來區(qū)分高速氣流中的光學(xué)擾動 則可 以分為大時間尺度或時穩(wěn)擾動如激波 混合層等 和小時間尺度或快變化擾動如湍 流 如果以光束束徑d 為空間尺度的衡量 與d 相當(dāng)?shù)臄_動為大尺度擾動 而 遠(yuǎn)小于d 的擾動為小尺度擾動 則激波等引起的大時間尺度或時穩(wěn)擾動正好在空間 尺度上也是大尺度擾動 而湍流引起的小時間尺度擾動在空間尺度上也是小尺度擾 動 一般情況下 氣動光學(xué)將大尺度擾動稱為有序擾動 o r d e r e da b e r r a t i o n 而小 尺度擾動稱為隨機(jī)擾動 r a n d o ma b e r r a t i o n 對于大氣中的氣動光學(xué)問題 由于大 氣的湍流在空間尺度上屬于大尺度擾動 但在時間尺度上卻屬于小尺度擾動 不能 歸屬上面的兩類 因而我們稱之為湍流擾動 t u r b u l e n ta b e r r a t i o n 而強(qiáng)激光引起的 熱暈 通常稱之為熱透鏡效應(yīng) 常規(guī)處理都將其歸結(jié)于有序擾動 當(dāng)然 在熱暈強(qiáng) 到一定的程度 湍流的隨機(jī)擾動相對于熱暈的有序擾動可以忽略時 單純的有序擾 動的假設(shè)可以成立 早期的強(qiáng)激光大氣傳輸處理在相屏法中均將兩種擾動的相屏線 性疊加口 而實(shí)際上由于強(qiáng)激光引起大氣的溫升 會改變湍流的狀態(tài) 湍流的運(yùn)動 又會破壞熱暈的有序擾動 這就是所謂的熱暈湍流相互作用 2 2 1 2 3 1 小尺度熱暈 這又為氣動光學(xué)在大氣中的研究添加了新的內(nèi)容 對于氣動光學(xué)的研究 一個目的就是要了解這種現(xiàn)象 從而從器件設(shè)計(jì)的角度 來避免或消除這些擾動 氣動窗口從基于激波或膨脹波機(jī)制到自由旋機(jī)制 再到折 射率匹配的機(jī)制的發(fā)展過程1 2 5 1 在很大程度上是氣動光學(xué)對擾動提出的要求 化學(xué)激 光器二維狹縫陣列噴管的設(shè)計(jì) 例如從2 s l o t 噴管到3 s l o t 噴管的改進(jìn) 一定程度 上也是考慮了氣流擾動對光束質(zhì)量的影響 光束傳輸管的空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)更是氣 動光學(xué)的研究結(jié)果 9 l f 1 當(dāng)然還有一些氣動光學(xué)現(xiàn)象并非器件設(shè)計(jì)的所能避免 因 而氣動光學(xué)研究的另一個目的就是為采用被動光學(xué)手段來減小影響的程度研究可行 性 自適應(yīng)光學(xué)的發(fā)展就是一個很好的例子 通過對激光器腔內(nèi)氣流有序擾動的研 究 可以利用光束凈化來提高光束質(zhì)量 利用多個可控制氣流 也可以在氣動窗口 第2 頁 國防科學(xué)技術(shù)人學(xué)研究生院學(xué)位論文 實(shí)現(xiàn)一個自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)口5 i 在激光大氣傳輸應(yīng)用自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)來降低湍流的影 響 而由于熱暈的存在 又使自適應(yīng)補(bǔ)償存在不穩(wěn)定性 1 等 對于更多的氣動光學(xué) 現(xiàn)象 對其的認(rèn)以的深度還有限 尚處于研究階段 對于氣動光學(xué)的研究通常有理論模型研究和試驗(yàn)研究兩種手段 系統(tǒng)的理論模 型的研究一般利用統(tǒng)計(jì)光學(xué) 1 1 的手段 對氣流擾動造成的光束質(zhì)量的下降 在各種 統(tǒng)計(jì)假設(shè)口9 1 下進(jìn)行綜合評價 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展 數(shù)值模擬作為一個 全能的 實(shí)驗(yàn)室 由于不受工作條件的限制 在許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用 氣動光學(xué)所 處的工作條件相當(dāng)苛刻 除了超音速氣流的要求外 往往還涉及高溫 高壓 強(qiáng)光 輻射 有毒和強(qiáng)腐蝕等復(fù)雜環(huán)境 試驗(yàn)成本相當(dāng)高 因而數(shù)值模擬已經(jīng)成為氣動光 學(xué)理論研究的一個重要手段和工具 以功率譜反演的湍流相屏方法已經(jīng)在激光大氣 傳輸?shù)哪M中得到了成功的應(yīng)用口0 以n a v i e r s t o k e s 方程組為描述的流體動力學(xué)方 法已經(jīng)在g d l t c w c l t 飛行器表面的邊界層 3 3 l 光束傳輸管等的氣動光學(xué)的 穩(wěn)定流場的研究中相當(dāng)成功 蒙特卡羅方法也在氣動光學(xué)的數(shù)值模擬中得到了應(yīng) 用 成功地實(shí)現(xiàn)了c w c l 的三維模擬 3 4 另外 已經(jīng)有利用均勻湍流的假定對氣動 光學(xué)的相關(guān)方程對隨機(jī)擾動進(jìn)行求解的報道1 當(dāng)然數(shù)值模擬的方法由于簡化的物 理模型和近似的數(shù)值計(jì)算使數(shù)值模擬的結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間存在偏差 數(shù)值模擬的 結(jié)果必須由理論和實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn) 并且對于某些復(fù)雜邊界條件和隨機(jī)擾動 數(shù)值模擬 尚不能很好地求解 因而試驗(yàn)研究是氣動光學(xué)的必要手段 光束質(zhì)量的試驗(yàn)手段往 往是對所有擾動的系綜測評 一般利用遠(yuǎn)場光斑分布進(jìn)行測量 對于大空間尺度的 有序擾動和湍流擾動 以波前傳感為基礎(chǔ)的近場波前重構(gòu)方法 3 6 l 是較常用的試驗(yàn)方 法 全息方法 3 于涉儀 h a r t m a n n 波前傳感器口8 i h w s 等已經(jīng)在氣動光學(xué)的有序 擾動和湍流擾動中得到了廣泛應(yīng)用和研究 高速干涉儀裝置已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了氣動光學(xué)效 應(yīng)的實(shí)時校正 另外紋影儀等流場成象技術(shù)是觀察流場的激波 剪切 混合層等有 序擾動分布的常用試驗(yàn)工具 4 由于隨機(jī)擾動的理論模型中尚不成熟 隨機(jī)擾動的 試驗(yàn)研究就顯得相當(dāng)重要 許多非介入的光學(xué)技術(shù)已經(jīng)被用來研究氣動光學(xué)現(xiàn)象中 的高速湍流f 4 基于光纖光學(xué)的流場監(jiān)視儀已被用來測量高頻 小尺度湍流特性 超高幀速相機(jī)已經(jīng)用來研究高速湍流場的小尺度結(jié)構(gòu) 基于湍流流場的全息干涉 圖的條紋分析技術(shù) 4 如條紋跟蹤等得到了深入的研究 由于飛行器表面等湍流流 場的研究復(fù)雜性 為模擬實(shí)際的超音速流場的湍流效應(yīng) 已經(jīng)建立了許多流場模擬 的試驗(yàn)?zāi)Ｐ图捌淞鲌鲋型牧魈卣鞯臍鈩庸鈱W(xué)評估設(shè)備 4 總的說來 以強(qiáng)激光和超音速飛行器為背景的氣動光學(xué)已經(jīng)成為光學(xué)領(lǐng)域和氣 動領(lǐng)域的又一個重要的研究課題1 4 1 2 氣動光學(xué)的研究 由于我國的高能激光技術(shù) 飛行器成象技術(shù)等的發(fā)展水平相對比較遲緩 在國 內(nèi)對氣動光學(xué)的研究除大氣部分外處于較零星發(fā)展?fàn)顟B(tài) 而國外已經(jīng)有專門機(jī)構(gòu)從 事氣動光學(xué)的研究 有專為氣動光學(xué)研究研制的光學(xué)診斷儀 隨著國內(nèi)高能激光技 術(shù)等的發(fā)展 氣動光學(xué)的研究已經(jīng)日趨必要 本文的工作主要結(jié)合激光器發(fā)展的現(xiàn) 第3 頁 國防科學(xué)技術(shù)人學(xué)研究生院學(xué)位論文 狀 對高能激光的產(chǎn)生與傳輸?shù)裙こ虇栴}中急待解決的氣動光學(xué)部分進(jìn)行研究與探 索 主要工作集中在氣動光學(xué)的1 2 3 5 部分 分以下五章進(jìn)行討論 第二章的工作主要是在國內(nèi)外諸多氣動光學(xué)現(xiàn)象研究的基礎(chǔ)上 介紹氣動非均 勻介質(zhì)的的分類 建立一套同時可以對激光在有序 隨機(jī)和大氣湍流三種非均勻氣 動介質(zhì)中傳輸?shù)睦碚撃Ｐ?討論這三種氣動非均勻介質(zhì)之間的聯(lián)系和區(qū)別及其對激 光光場的影響 進(jìn)一步 建立氣動非均勻介質(zhì)折射率分布在激光腔內(nèi)和激光傳輸管 及大氣中的流體動力學(xué)模型 指出了介質(zhì)分類的依據(jù)和三種非均勻介質(zhì)在上述兩個 模型中可能存在的條件和環(huán)境 第三章主要介紹氣動光學(xué)的研究方法 氣動非均勻介質(zhì)對光束影響的評價標(biāo)準(zhǔn) 即光束質(zhì)量 根據(jù)氣動介質(zhì)不均勻性對波前畸變影響的特點(diǎn) 選取一個在實(shí)驗(yàn)上容 易實(shí)現(xiàn) 物理意義比較清晰的評價標(biāo)準(zhǔn) 同時得出它們之間的相互關(guān)系 以便對實(shí) 驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和后續(xù)解決方案的建立有一個參考 將光束質(zhì)量的評價分為近場評價和 遠(yuǎn)場評價兩類 推導(dǎo)了各種光束質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)在小擾動條件下的相互關(guān)系 對常用 的光束質(zhì)量b 因子在多隨機(jī)擾動條件下進(jìn)行了修正 進(jìn)一步分析了隨機(jī)擾動和有序 擾動的測量方法 指出在兩種擾動同時存在的條件下 橫向剪切干涉儀 l s i 可以同 時對兩種擾動進(jìn)行測量 因而是近場測量氣動非均勻介質(zhì)對光束質(zhì)量影響的較好的 研究手段 對隨機(jī)擾動和有序擾動的l s i 測量進(jìn)行了分別的討論 在有序擾動的測 量中 從波前信息采樣的角度比較了l s i 和h w s 差別 在l s i 的基礎(chǔ)上 提出了 波前延拓剪切干涉 w p s i 的波前重構(gòu)及實(shí)現(xiàn)方法 考慮到w p s i 的裝置的復(fù)雜 在 l s i 的測量基礎(chǔ)上 利用波前延拓的假設(shè) 通過小波變換實(shí)現(xiàn)了基于小波變換的i s i 的波前重構(gòu)新算法 在第一章的激光腔內(nèi)的流體動力學(xué)模型基礎(chǔ)上 第四章對典型的3 s l o t 噴管結(jié) 構(gòu)的h f d f 化學(xué)激光器的運(yùn)行情況在開發(fā)c h a r r m e r r a d o n 程序的基礎(chǔ)上進(jìn) 行了全面的數(shù)值模擬 計(jì)算了腔內(nèi)不均勻介質(zhì)在流場方向和腔軸方向上的二維有序 不均勻分布 分析了腔內(nèi)流場對不均勻性的影響 對激光器有無激射 基頻 泛頻輸 出 氧化劑噴管結(jié)構(gòu)和n 稀釋劑等對介質(zhì)不均勻性的影響進(jìn)行了詳細(xì)的討論 在 此基礎(chǔ)上 對傳統(tǒng)的2 s l o t 噴管結(jié)構(gòu)和單氧化劑噴管結(jié)構(gòu)的激光器腔內(nèi)的介質(zhì)不均 勻性也進(jìn)行了數(shù)值模擬 分析比較了三種噴管結(jié)構(gòu)在增益和介質(zhì)不均勻性上的差 別 對非穩(wěn)腔激光輸出 介質(zhì)不均勻性對相位的擾動進(jìn)行了分析 計(jì)算了上述各種 激光器在望遠(yuǎn)式非穩(wěn)腔條件下 有序不均勻介質(zhì)擾動對光束相位影響引起的輸出光 束的光束質(zhì)量 在討論了氣動窗口的一般原理及其對通過光束波前的影響 著重分析了自由旋 氣動窗口的工作原理及氣動光學(xué)特征的基礎(chǔ)上 結(jié)合第三章討論的測量方法 第五 章對一套3 0 m m 3 0 m m 口徑的自由旋氣動窗口的氣動光學(xué)量進(jìn)行了剪切干涉測量 利用常規(guī)波前重構(gòu)和基于小波變換的重構(gòu)方法給出了有序擾動在流場方向上的一維 波前分布和相位方差及光束質(zhì)量因子 與斜激波 膨脹波或聯(lián)合機(jī)制的氣動窗口進(jìn) 行了比較 進(jìn)一步利用干涉條紋的對比度 測量分析氣動窗口的隨機(jī)不均勻波前擾 動的分布 用同樣的測量裝置 對萬瓦級c o 激光器的腔內(nèi)介質(zhì)不均勻性進(jìn)行了測 量診斷 通過測量給出了介質(zhì)對波前擾動的最大傾斜量和隨機(jī)不均勻擾動的尺度分 布 測量結(jié)果表明 激光器的噴管已經(jīng)有燒蝕 噴管喉道的寬度不均一 造成了腔 內(nèi)隨機(jī)不均勻起伏較大 第4 頁 塞墮墼耋莖查奎塞塹塞蘭鶩耋堡壘蚤 傳輸已經(jīng)繕到了廣泛的磷究 第六章在激光的精細(xì)光譜終掏和大氣贏分辨吸收光譜 的基礎(chǔ)上對c o i l f t d f 的大氣吸收系數(shù)進(jìn)行了計(jì)囂 和爝第二竄建立的讖激光傳輸 的大氣流體動力學(xué)模型 對強(qiáng)激光傳輸過程中的大氣溫升進(jìn)行了解析和數(shù)值估算 遴一步 到媛該模型對低風(fēng)速無潰滾 靜盤太氣鞠管道大氣孛的熱暈理象進(jìn)行了數(shù) 值模擬 對細(xì)光束室內(nèi)和管道內(nèi)傳輸?shù)臒釙炦M(jìn)行了估算 指出在高功率激光在室內(nèi) 大氣中的細(xì)光束傳輸存在較強(qiáng)的熱暈現(xiàn)象 嚴(yán)重影響光束質(zhì)量 提出了消除熱暈的 磐手莰 如采將大氣潺滾運(yùn)動產(chǎn)生豹不均勻性對激光傳稔方自 至激光旋量匏城弱 稱為散射的話 大氣中分子和氣溶膠對激光的散射將是 個重要的組成部分 本章 塒大氣中分子和氣溶膠對激光的散射模型進(jìn)行了討論 并且計(jì)算了散射相函數(shù) 利 用經(jīng)典敬辯理論對激光照明中存在的后離散射避行了理論分卡廳和試驗(yàn)研究 對建立 的窄光束激光照明的后向散射模型進(jìn)行了驗(yàn)證 需要指出豹是 本文所研究數(shù)氣動光學(xué)僅僅楚對具體工程闥題的討論稠研究 許多工作僅僅是氣動光學(xué)的初步探討 其中一些數(shù)值模擬的結(jié)論匿然可以定性解釋 些現(xiàn)象 但還越需要實(shí)驗(yàn)的具體結(jié)合 些實(shí)驗(yàn)的結(jié)果僅僅進(jìn)行了定性的流體動 力學(xué)分撬 撼述了器件靜瀅戇 但若震要對器釋瓣設(shè)計(jì)鼴供參考 還纛黌遴一步爨 深入理論和數(shù)值研究 另外氣動光學(xué)的邂論體系還在不斷的擴(kuò)大 所采用的研究手 段隨著新技術(shù)的發(fā)展不斷的更新 因而本文中氣動光學(xué)理論模型僅僅是一個探索 還需不斷完善 在餮內(nèi) 我們磷究所已經(jīng)成立了氣動光學(xué)研究中心 褥對氣動光學(xué) 的研究引向更深的層次 最后必須指出 在國外 氣動光學(xué)的研究在超音速飛行器 中光學(xué)戒象和光柬傳輸中的研究比較廣泛秘?zé)衢T 國內(nèi)也有專門的硬究楓構(gòu) 蠹露本 文沒有涉及 篩5 頁 復(fù)豎墼蘭絲查叁童堡圣蘭鶩堂堡鎏冬 參考文獻(xiàn) f e i g e r r y g a sd n a m i cl a s e r s 聒 s p e c t r u m 7 1 l 5 i 5 8 1 9 7 0 1 2 1 cak l a e i n w i n d o w sf o rh f d fc h e m i c a ll a s e r s l a s e r s 8 0 n e wo r l a n d s 1 9 8 0 3 1 rng u i l e we h i l d i n g i n v e s t i g a t i o n o f a f r e e v o r t e x a e r o d y n a m i c w i n d o wa l 4 a p a p e r 7 5 1 2 2 l9 7 5 1 4 em p a r m e t i e r e la l s u p e r s o n i cf l o wa d w f o rh i g h p o e r l a s e r a i a a 上1 1 7 9 4 3 1 9 7 3 5 g 鞲 z e i d e r s l a s e r p o w e r e d o r b i t a l t r a n s f e r p r o c 對s p 2 3 7 6 17 8 t 卵 9 9 5 1 6 1 dlc l a r k e ta 1 a p p l i c a l i o n o f a s i n g l e a r e a a r r a y d e t e c t o r 強(qiáng)r a c q u i s i t i o n t r a c k i n ga n d p o i n t a h e a d i n s p a c e o p t i c a lc o m m u n i c a t i o n s n 7 7 s n 8 9 2 1 1 6 8 4 h d m 1 9 8 9 1 7 1 rc t o t h w a ri ns p a c e 髓i e n c e8 0 1 7 4 8 0 1 9 8 0 8 dk e l s a l l o p t i c a l m e a s u r e m e n t s o f d e g r a d a t i o n i n a i r c r a f t b o u n d a r y l a y e r s a i a a 8 0 2 6 1 2 9 3 1 9 8 2 9 t pi s b e n e ta 1 b e a mt u b et h e r m a lb l o o m i n ge x p e r i m e n ta n da n a l y s i s j a f w lt r 一8 l t 1 2 9 1 9 8 1 l0 1ae f u h s o v e r v i e wo f a e r o o p t i c a lp h e n o m e n a s p i e2 9 3 3 6 5 5 1 9 8 j l i l j kgg i l b e r t l jo t t e n a c r e o p t i c a lp h e n o m e n a p r o g r e s s i n a s t r o n a u t i c s a n d a e r o n a u t i c s a i a4 8 0 1 9 8 2 i 2 lg 砒s u t t o n a e r o o p t i c a lf o u n d a t i o n sa n da p p l i c a t i o n s 4 l 4 at 2 3 1 0 1 5 2 5 1 5 3 7 1 9 8 5 1 1 3 1vlm o s h k o v s p a t i a la n dt e m p o r a ls c a l e so fa c l i em e d i u mi n h o m o g e n e i t i e si nh i g hp o w e rg a sl a s e r s r k o s s o s k ye ta l e d s h i g h p o w e r l a s e r s s c i e n c ea n d e n g m e e r i n g 4 7 8 2 1 9 9 6 f l4 as b o r e i s h o afl e o n o v v lm o s h k o v a c t i v em e d i ai n h o m o g e n e i l i e so f g a sf l o wl a s e r s a i a 49 3 3 1 6 6 1 9 9 3 1 5 yaa n a n y e v o p t i c a lr e s o n a t o ra n dt h ep r o b l e mo f t h el a s e rr a d i a t i o nd i v e r g e n c e n 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dh c h a m b e r s e ta l l i n e a rt h e o r yo f t h e r m a lb l o o m i n gi nt u r b u l e n c e s p i ep r o c 1 2 2 1 8 3 9 0 1 9 9 0 2 4 1dhc h a m b e r s e ta l t u r b u l e n tm i x i n ge f t c t si nm o d e l so f t h e r m a lb l o o m i n g s p t ep r o c 1 2 2 1 2 2 0 2 2 8 1 9 9 0 1 2 5 1j ma v i d o li m p r o v e df l e e v o r t e x s u b s o n i ca e r o d y n a m i cw i n d o w a l 4 a 1 7 1 2 6 7 1 2 6 8 1 9 7 9 1 2 6 1s w z e l a z n y 砒ac h a m b e r s wf v a nt a s s e l l wf b r a n d k a m p m e d i u mi n d u c e dp h a s ea b e r r a t i o n si n c o n t i n u o u sw a v e c w h y d r o g e nf l u o r i d ec h e m i c a ll a s e r s w a v e f r o n td i s t o r t i o n si np o w e ro p t i c s p r