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探讨内光路传输时的热晕效应问题
摘要：讨论了强激光大气传输,特别是在内光路传输时的热晕效应问题,分析了热晕效应中不同影响因素对输出光束质量的影响,设计并搭建测试系统,实验验证了内光路热晕效应对光束质量影响的存在,以及内光路气体流动与密封充氮两种手段对消除热晕影响的积极作用,同时总结了强激光系统设计过程中降低内光路热晕影响的几点思路。
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随着高功率激光器的出现以及它在工业、国防等领域的广泛应用，强激光大气的传输问题受到普遍重视。只要激光功率达到一定程度时，激光就会和大气介质相互作用，而产生多种线性和非线性光学效应，其中热晕效应是影响强激光大气传输的最严重的非线性问题之一[1,2,3]。
热晕效应是指，当高能激光在大气中传播时，大气中的分子和气溶胶粒子吸收高能激光的能量而使空气被加热，导致局部空气受热膨胀，密度减小，最终导致空气局部折射率变小，相当于在大气中形成一个负透镜，使光束发散，如图1所示。当存在侧向风时，在光轴顺风方向空气密度降低，因而光轴逆风方向的折射率减小，形成特有的弯向上风的弯月形光束分布，造成光束的畸变、弯曲和发散，严重影响了光束质量和到达靶面的激光功率密度，如图2所示[4,5,6,7]。
图1无风时高能激光大气传输热晕效应示意图
图2有风时高能激光大气传输热晕效应示意图
迄今，对强激光的大气传输，特别是在外光路，即室外大气中传输时热晕的影响已作了许多理论和实验研究，对实际的强激光系统，从激光器输出的光束要经过光束控制系统（亦称内光路）扩束后再经大气传输。尽管激光在内光路中的传输距离（典型值为数米至数十米）与大气传输距离（典型值为数公里至数十公里）相比很短，但由于光束在内光路传输过程中，特别是经过发射系统扩束前，光束一般较细，功率密度很高，内光路气体介质的热效应（热晕）对远场光束质量可能会产生很大影响，对此仅有不多的研究结果报道[8,9,10]。
作者通过在实验室搭建一套高功率密度内光路远场光束质量测量系统，对内光路传输介质的部分条件进行控制，实验验证了内光路热晕效应的影响，以及两种手段对消除热晕影响的积极作用。
1、热晕效应理论模型及影响因素分析
热晕效应取决于激光输出功率P0、光束几何参数和与空气热力学性质有关的多种参量。在不考虑衰减和光束旋转的情况下，准直光束的稳态热晕可由参数Nc描述如下
在海面标准大气下，M0=28.9644×10-3kg/mol，ρ0=1.2250kg/m3,CP=1004.7J/(kg·K)。
对于一般非准直光束，由Bradley-Herrmann畸变参数ND描述其热晕特性为
式中，Fresnel衍射参数NF=n0ka2/L，对于光束质量为β的情况，NF=(n0ka2)/(β2L)。
在聚焦光束、考虑大气衰减以及光束旋转的情况下，综合热晕效果还需考虑Fresnel衍射参数NF、衰减参数NE以及光束旋转参数Nω=ωL/V的不同贡献，分别通过以下3种函数形式描述为
这样，得到的广义Bradley-Herrmann热晕参数为
根据数值分析和实验结果，高斯光束热晕光斑峰值功率下降的经验公式为
根据该公式，N=4时光斑的峰值功率下降一半，可作为一个基本参照点。热晕的效果相当于增加一个独立于光束本身质量的质量因子β2B=0.0625N2。
分析上述推导过程可以看出，热晕对光束质量因子的影响βB与N、ND、NC均呈现出正相关关系，回到NC表达式进行定性分析可以看出，热晕对光束质量因子的影响βB随着激光输出功率P0、激光传输距离L、吸收系数α的增大而增大，随着风速V、光斑半径a的增大而减小。
在一套已经成型的强激光系统中，输出激光功率、内光路传输距离、光斑尺寸等指标是固定的，想要降低内光路热晕效应的影响，可以从内部风速和气体吸收系数两个参数入手，使内光路的气体流动起来以提升风速V，对系统内部充入密封干燥氮气以降低吸收系数α。在设计新的强激光系统时，如果要降低内光路热晕效应的影响，则需要尽量增大传输光斑的尺寸，同时缩短细光束的光程，尽快对激光进行扩束。
2、热晕效应实验研究
在室内搭建如图3所示实验系统以研究热晕效应的影响。
图3热晕效应实验研究示意图
如图3所示，由光纤激光器作为准直输出光源，激光先经过一个密闭腔室，再在腔室经过一小段普通大气环境后，由绝大多数能量被高反镜反射进全吸收功率计中作废光处理，透射的小功率光束经过长焦汇聚系统，进入放置在远场焦面的成像CCD中，利用CCD测量的数据计算激光的光束质量。在该实验系统中，强激光加热大气所造成的热晕效应主要发生在腔室内外两段大气部分，由于实验条件的限制，无法在腔室内直接对强激光进行分光，但在对比实验过程中，腔室外大气环境基本保持不变，实验结果的差异可以认为仅由腔室内实验条件的改变造成。
实验中激光准直输出光斑功率为10kW，尺寸为1cm2，波长1080nm，腔室内激光传输光程为1.5m，腔室外截止至高反镜前的光程为2.5m，远场汇聚系统焦距为10m。共进行了以下两组对比实验：（1）利用腔室内安装的风扇工作与否改变内光路气体流动状态，验证风速V参数的影响，实验结果如图4所示；（2）将腔室内充满常温高纯干燥氮气，对比充满普通空气的条件，验证吸收系数α参数的影响，实验结果如图5所示。
图4热晕效应对光束质量的影响（风速V)
图5热晕效应对光束质量的影响（吸收系数α）
分析实验结果，在密闭腔室内无气体流动时，风速V很小，有气体流动时则风速V较大，理论上风速越大热晕对光束质量的影响越小，实验结果显示，气体流动状态下光束质量β由3.31降到2.99，符合预期。在1080nm波段附近大气对激光的吸收主要是水气起作用，而氮气则基本不吸收该波段的激光，所以充入干燥高纯氮气能有效降低吸收系数α，从而降低热晕对光束质量的影响，实验结果显示，充干燥氮气状态下光束质量β由3.52降到3.10，同样符合预期。
受限于实验条件，无法准确测量密闭腔室内的风速和吸收系数数值，仅能定性分析影响热晕效应对光束质量的影响，但该工作依旧有很强的工程意义。通过实验可以看出，在万瓦每平方厘米功率密度量级、米级传输光程的强激光内光路传输系统中，由热晕负透镜效应所带来的光束质量恶化程度已可明显观测，同时实验还表明，内光路气体流动与密封充氮是两种行之有效的解决手段，可以在工程设计阶段予以考虑。
3、结论
阐述大气热晕效应对传输激光光束质量的影响特点，重点分析了在强激光系统内光路传输过程中，由于细光束的高功率密度对系统内传输气体介质进行加热而导致的热晕效应，进而恶化系统光束质量。对内光路热晕效应的影响因素进行了定性分析，实验验证了内光路热晕效应的存在以及内光路气体流动与密封充氮两种手段对消除热晕影响的积极作用，同时总结了强激光系统设计过程中，降低内光路热晕影响的几点思路，对更高功率量级的强激光系统工程研制有指导意义。
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期刊名称：应用光学
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主管单位：中国兵器工业集团公司
主办单位：中国兵工学会,中国兵器工业第二〇五研究所
出版地方：陕西
专业分类：科学
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国内刊号：61-1171/O4
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2020-06-12
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