高能激光大气传输的仿真实验研究

　　热晕效应是高能激光大气传输中最为严重的非线性效应之一,它限制了能够有效通过大气传输的激光束的最大功率。理论与实验均表明利用自适应光学系统可以对线性效应进行很好的相位补偿[1-3]。但是,利用自适应光学系统对其进行相位补偿不同于线性效应的相位补偿,原因是被自适应光学系统改善了的激光束会加强与吸收介质之间的相互作用,形成自适应光学系统与传输介质扰动产生的光束相位畸变之间的正反馈效应,从而导致非线性热晕效应相位补偿不稳定性。Karr通过线性理论已揭示了其物理本质[4-5]。

　　对于高能激光大气传输及其相位校正的实验研究已有一些报道[3,6-10],如美国林肯实验室和空军武器实验室的热晕定标实验,以及国内有关聚焦光束稳态热晕补偿及小尺度热晕不稳定性实验等,获得了一些热晕效应及其校正效果的定标规律、湍流热晕相互作用不稳定性及其相位校正不稳定性的基本规律[11-14]。然而在以往的仿真实验中,通常是用发射功率较低的激光在吸收系数较大的均匀介质(一般为液体)中产生的热畸变代替高能激光在大气中产生的热晕效应[15]。由于激光的发射功率有限,所使用的传输介质的吸收系数较大,则导致激光束能量本身迅速衰减,因此很难模拟实际激光大气传输的情况。

　　本文在热晕效应及相位补偿的仿真实验中,利用光束质量较好的高能激光器作为发射光束的光源,以及分段管道模拟大气参数(包括大气吸收、消光系数、平均风速等)随高度的变化,使得仿真系统中激光束能量的衰减与实际激光大气传输的情况基本相当,同时仿真系统的设计也满足在实际大气中进行热晕效应及其相位校正的定标实验要求,从而进一步获得实际大气情况下高能激光的传输特性及其相位校正效果的认识。

　　1　实验系统及数据处理方法

　　1.1　实验系统

　　图1是准直光束模拟热晕效应补偿实验示意图。化学激光器COIL产生的主激光,其波长为1.315μm,由次镜T1扩束后,经反射镜S及分光镜S1反射进入自适应光学系统,然后由倒置的扩束镜T缩束准直并通过热晕模拟管道,通过管道后的光束再由T3扩束经分光镜S2反射进入能量计接收端。信标光是He-Ne激光束,其与主激光同光路反方向传输。光束通过热晕模拟管道后由扩束镜T扩束,然后经倾斜镜、变形镜反射到分光镜S1后进入哈特曼波前传感器。波前传感器探测到的波前斜率被送到高速波前处理机,经计算获得用以驱动倾斜镜和变形镜的控制信号,然后由高压放大器放电驱动变形镜和高速倾斜镜,从而实现在主激光上加载由热晕效应引起的波前畸变的共轭波前,完成对主激光经热晕模拟管道传输后的相位补偿。自适应光学系统中变形镜的驱动单元数为61。H-S是用以测量信标光远场波前的传感器,共52个子孔径(有遮拦,有效子孔径数为48)。波前复原算法采用的是直接斜率法。Dalsa1和Dalsa2分别是用以记录高能激光束进入模拟管道前后远场光强分布的相机。我们采用三节独立的圆柱型热晕模拟管道,长度分别为1,2,3 m。每个管道内的风速、压强、湿度、介质的吸收系数都可以通过控制系统进行调节。仿真系统可以模拟出实际大气传输情况下的大气参数(如光束菲涅耳数NF、热畸变参数ND等),包括模拟上行传输中大气参数随高度变化的情况,如风速风向、非均匀吸收、湿度、压强等。