基于非Kolmogorov湍流的小尺度热晕不稳定性研究

Small thermal blooming instability is a main factor,which results in falling badly to beam quality of high energy laser,and restricts most power density at a target.So it restricts application for some laser engineering.However The established investigation on small thermal blooming instability is limitied due to turbulence only considered kolmogorov model.Therefor the study focus on the influence of non-kolmogorov on small thermal blooming instability by the method of theory,simulation and experiment, and some important factors such as adapative optics system space bandwidth,wind speed fluctuation and wind shear how to affect small thermal blooming instability are analyzed. The relationship is established between the performace parameter of high energy laser propagation in the non-kolmogorov turbulence and the character parameter of atmospheric turbulence,thermal blooming and adapative optics system.The study can help to understand the interactional mechanism between atmospheric turbulence,thermal blooming and adapative optics system,which can extend the range of established theory, which also can guide the practical engineering application.

小尺度热晕不稳定性是导致高能激光束光束质量严重下降的主要因素之一，它限制了激光束到达目标上的最大能量密度，从而制约了一些激光工程的应用。实际的大气湍流并不总是遵守kolmogorov模型，而传统对于小尺度热晕不稳定性的研究是仅局限于大气湍流为kolmogorov模型假设下开展的。为此，本项目拟利用理论、数值仿真及实验相结合的方法，就非kolmogorov谱湍流对小尺度热晕不稳定性的影响机制进行探讨，并在非kolmogorov条件下就自适应光学空间带宽、随机风场以及风切变等对小尺度热晕不稳定性影响进行分析，拟建立非kolmogorov湍流条件下高能激光大气传输效果参量与大气湍流特征参量、热晕效应特征参量及自适应光学系统特征参量等之间的定标关系，以深入系统地认识大气湍流与热晕的相互作用及自适应光学相位补偿机理，拓展已有理论的应用范围，同时为工程应用的可行性及光电系统的优化设计等提供科学参考。

本课题理论研究了高能激光在非Kolmogorov湍流大气中传输及相位补偿时光场的振幅及相位起伏特性，并推导描述光束质量评价函数Strehl比的表达式；建立了高能激光在非Kolmogorov湍流大气中传输及相位补偿的数学物理模型及仿真程序。研究了非Kolmogorov湍流大气条件下，自适应光学系统空间带宽对湍流热晕相互作用下相位补偿不稳定性的影响，结果表明在一定热晕强度下，带宽越高，小尺度热晕效应越严重。湍流谱对湍流热晕效应的相位补偿有重要的影响。在相同的湍流菲涅尔数下，当谱指数越接近于3时补偿效果越差，谱指数接近于4时补偿效果越好。研究了非Kolmogorov湍流大气条件下，随机风场及风速切变对湍流热晕相互作用不稳定性及其相位补偿不稳定性的抑制作用，结果表明随机风场和风切变对小尺度热晕不稳定性有重要影响，随机风场可以有效抑制不稳定性。建立了非Kolmogorov湍流大气条件下高能激光大气传输传输效果参量与湍流效应特征参量、热晕效应特征参量、实际自适应光学系统特征参量等之间的定标关系。不仅可以深化对湍流热晕相互作用及其位补偿不稳定性机理的认识，而且还拓展了高能激光大气传输及相位补偿理论的应用范围，同时也为激光工程应用的可行性、光传输效果的精确评估以及自适应光学系统的优化设计等提供科学依据。