（光学工程专业论文）气动光学的工程研究.pdf

国防科学技术人学研究生院学位论文 气动光学的工程研究 摘要 高能激光的产生 输出和传输等过程中 气流均会不同程度地影响光束质量 气动光学正是研究气流运动与电磁波传播之间相互作用的一门新兴学科 本文从理 论和实验两个方面对气动光学在激光腔 气动窗口 激光传输管和大气中的应用进 行了研究和探讨 根据介质的特征 将气动非均匀介质分为有序 随机和大气湍流三种类型 在 此基础上 分析讨论了一套激光在三种介质中的传输模型及光束质量评价方法 建 立了h f d f 化学激光器腔内和激光传输管及室内静止大气中的气动光学数值模型 推导了强激光技术中常用的光束质量定义在小扰动条件下的相互关系 对常用 的光束质量b 因子在多随机扰动条件下的公式进行了修正 进一步分析了随机扰动 和有序扰动的测量方法 指出在两种扰动同时存在的条件下 横向剪切干涉仪 l s i 可以同时对两种扰动进行测量 因而是近场测量气动非均匀介质对光束质量影响的 较好的研究方法 在有序扰动的测量中 从波前信息采样的角度比较了l s i 和 h a r t m a n n 波前传感器差别 在l s i 的基础上 提出了波前延拓剪切干涉 w p s i 的波 前重构及实现方法 考虑到w p s i 的装置的复杂 在l s i 的测量基础上 利用波前 延拓的假设 通过小波变换实现了基于小波变换的l s i 的波前重构新算法 对3 s l o t 喷管结构的h f d f 化学激光器腔内的运行情况进行了全面的数值模 拟 计算了腔内介质在流场方向和腔轴方向上的二维有序不均匀分布 分析了腔内 流场对不均匀性的影响 并与传统的2 s l o t 喷管和单氧化剂喷管结构的激光器腔内 的介质不均匀性进行了比较 分析三种喷管结构的气流对介质不均匀性的影响 对 非稳腔激光输出 介质不均匀性对输出波前扰动进行了分析 计算了在望远式非稳 腔条件下 有序不均匀介质扰动对光束质量的影响 讨论了气动窗口的一般原理及其对光束波前的影响 着重分析了自由旋气动窗 口的工作原理及气动光学特征 对一套3 0 m m 3 0 m m 口径的自由旋气动窗口的气 动光学量进行了l s i 测量 重构了有序扰动在流场方向上的一维波前分布 给出了 光束质量因子 与斜激波 膨胀波或联合机制的气动窗口进行了比较 测量分析了 气动窗口的随机不均匀扰动的分布 用同样的装置 对万瓦级c o 激光器的腔内介 质不均匀性进行了测量诊断 通过测量给出了介质对波前扰动的最大倾斜量和随机 扰动的尺度分布 诊断表明 激光器的喷管已有烧蚀 喉道宽度不均匀 造成了腔 内随机不均匀起伏较大 利用强激光传输的大气流体动力学模型 对强激光传输过程中的大气温升进行 了解析和数值估算 进一步 利用该模型对室内低风速 静止大气和光束传输管道 大气中的热晕现象进行了数值模拟 对强激光 1 0 0 k w 级 细光束 巾1 0 0 m m 近距离 1 0 m 级 室内传输 热晕对光束质量影响的严重性进行了估算 并进行了实验验证 提出了消除热晕的一些手段 另外对激光主动照明中存在的后向散射问题建立了窄 光束激光照明的后向散射物理模型 并进行了试验研究 国防科学技术大学舔究生院学位论文 吲防科学技术人学研究生院学f t 论文 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 翻防科学技零入学嘏究生院掌位论文 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 国防科学技术大学研究生院学位论文 第一章序言 1 1 气动光学的概况与内容 现代科学技术的发展 学科的细分与学科之间的交叉融合已成为一种必然趋势 气动光学 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 技术 气动 a e r o d y n a m i c 技术和空间 a e r o s p a c e 技术发展的产物 在了解气动光学的定义之前 让我们来回顾一下气动光学产生的背景 h e l 对气流的要求 在激光器的发展过程中 激光的高功率 能量输出和良好的光束质量一直是激 光研究的工程技术人员所关心的目标 而连续波高功率或重复运行的高能激光器的 研究 需要采用流过腔体的气流 l i j 另外 随着激光输出功率的增高 晶体 输出窗口越来越对激光功率的提高产生了限制 2 1 尽管晶体窗口得到了深入广泛的 研究i 但气动窗口 a e r o d y n a m i cw i n d o w a d w 必将成为最佳选择口 因而 在 这样一类与气流密切相关的激光器如气动激光器 g a sd y n a m i cl a s e r g d l 连续波 化学激光器 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 的设计制造的过程中 必然要研究和解决激光与气流之间的相互作用的问题 激光束的传输 激光光束以其高相干性和小发散角 一直是空间能量输运口 空间通信 6 l 武 器应用 1 等领域研究的重要课题 由于大气中的吸收 散射 湍流 高能激光引起 的大气热晕等一系列气流与激光的相互作用 给激光在大气中的传输的研究造成了 极大的困难 i8 而气动光学正是对大气中气流与激光相互作用研究的基本手段 飞行物体及空间天文成像 除了大气中本身的流场外 由于飞机 导弹等飞行物体的高速飞行 在飞行物 体表面附近产生了十分复杂的气流层 8 如果这些气流层在飞行物体的成像或激光 输出的窗口上 将会对通过窗口成像的光学系统的成像质量或通过窗口输出的激光 束的光束质量产生一定的影响 同样 利用星体导航的导弹也会因此类似的不利影 响产生角度误差 另外 空基天文观察也会受气动光学的影响 激光在管道或风洞中的传输与研究 另外 高能激光在某些特定的情况下需要在特殊的环境 比如管道或风洞 中传 输 9 由于环境的特殊性 环境受强激光的影响比较明显 则需要对环境受激光辐照 后气动性质的光学效应进行研究 a l i e ne f u h s 曾指出气动光学是激光空气动力学 包括与激光有关的气流现象 的一个分支 l 从上述种种气动光学现象我们可以给出气动光学的一个定义 狭义 地讲 气动光学是研究由稳态 非稳态或随机的气流运动引起的折射率场和电磁波 传播之间相互作用的学科与方法 对于气动光学的研究 国外在7 0 年代中后期就有了许多关于此类现象的报道 第1 页 国防科学技术人学研究生院学位论文 8 0 年代初 f u h s 对诸多气动光学现象进行了归纳与概括 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 一书 对与飞行器有关的气动 光学进行了综述 这两篇文章对气动光学的进一步发展起到了很大的推进作用 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 工作的基础上给气动光学进行了定义 在 认识上对气动光学得到了统一 并沿光束传输的路径将气动光学进行了划分 大 体j 二分为五个部分 1 在激光器 或相机 望远镜 中 2 在屏蔽流中f 屏蔽流是将激 光与外界传输路径分开的流层 如a d w 3 在光束传输管中 4 在光束传输管末 端和当地环境 0 n 飞行器表面的流场中 之间的区域内 5 在大气中 可以看出 气动光学所研究的领域相当广阔和复杂 它贯穿了从激光的产生 发射到传输到目标的全过程 1 2 1 到目前为止 尚缺乏统一的 完善的理论和研究 方法 由于大气光学理论比较成熟 大气光学的许多光学理论已经在气动光学的研 究巾得到了借鉴 尤其在湍流扰动的研究方面 l 然而气动光学的研究更多涉及的 是超音速气流 在超音速气流中 往往存在激波 膨胀波等复杂的波系 存在边界 层 混合层 剪切层 当然高速的气流引起的大r e y n o l d s 数也必然导致了高速的湍 流的存在 对于这样一类与高速气流相关的光学问题 流体动力学过程的研究变得 相当重要 我们知道 流体动力学无论在低速流体还是超音速流体的时稳解方面已 经相当成熟 而对于随机扰动过程的求解 尤其是超音速随机过程的求解在许多情 况下尚无能为力 因而如果从时间尺度的角度来区分高速气流中的光学扰动 则可 以分为大时间尺度或时稳扰动如激波 混合层等 和小时间尺度或快变化扰动如湍 流 如果以光束束径d 为空间尺度的衡量 与d 相当的扰动为大尺度扰动 而 远小于d 的扰动为小尺度扰动 则激波等引起的大时间尺度或时稳扰动正好在空间 尺度上也是大尺度扰动 而湍流引起的小时间尺度扰动在空间尺度上也是小尺度扰 动 一般情况下 气动光学将大尺度扰动称为有序扰动 o r d e r e da b e r r a t i o n 而小 尺度扰动称为随机扰动 r a n d o ma b e r r a t i o n 对于大气中的气动光学问题 由于大 气的湍流在空间尺度上属于大尺度扰动 但在时间尺度上却属于小尺度扰动 不能 归属上面的两类 因而我们称之为湍流扰动 t u r b u l e n ta b e r r a t i o n 而强激光引起的 热晕 通常称之为热透镜效应 常规处理都将其归结于有序扰动 当然 在热晕强 到一定的程度 湍流的随机扰动相对于热晕的有序扰动可以忽略时 单纯的有序扰 动的假设可以成立 早期的强激光大气传输处理在相屏法中均将两种扰动的相屏线 性叠加口 而实际上由于强激光引起大气的温升 会改变湍流的状态 湍流的运动 又会破坏热晕的有序扰动 这就是所谓的热晕湍流相互作用 2 2 1 2 3 1 小尺度热晕 这又为气动光学在大气中的研究添加了新的内容 对于气动光学的研究 一个目的就是要了解这种现象 从而从器件设计的角度 来避免或消除这些扰动 气动窗口从基于激波或膨胀波机制到自由旋机制 再到折 射率匹配的机制的发展过程1 2 5 1 在很大程度上是气动光学对扰动提出的要求 化学激 光器二维狭缝阵列喷管的设计 例如从2 s l o t 喷管到3 s l o t 喷管的改进 一定程度 上也是考虑了气流扰动对光束质量的影响 光束传输管的空气调节设计更是气 动光学的研究结果 9 l f 1 当然还有一些气动光学现象并非器件设计的所能避免 因 而气动光学研究的另一个目的就是为采用被动光学手段来减小影响的程度研究可行 性 自适应光学的发展就是一个很好的例子 通过对激光器腔内气流有序扰动的研 究 可以利用光束净化来提高光束质量 利用多个可控制气流 也可以在气动窗口 第2 页 国防科学技术人学研究生院学位论文 实现一个自适应光学系统口5 i 在激光大气传输应用自适应光学系统来降低湍流的影 响 而由于热晕的存在 又使自适应补偿存在不稳定性 1 等 对于更多的气动光学 现象 对其的认以的深度还有限 尚处于研究阶段 对于气动光学的研究通常有理论模型研究和试验研究两种手段 系统的理论模 型的研究一般利用统计光学 1 1 的手段 对气流扰动造成的光束质量的下降 在各种 统计假设口9 1 下进行综合评价 随着计算机技术的发展 数值模拟作为一个 全能的 实验室 由于不受工作条件的限制 在许多领域得到了广泛的应用 气动光学所 处的工作条件相当苛刻 除了超音速气流的要求外 往往还涉及高温 高压 强光 辐射 有毒和强腐蚀等复杂环境 试验成本相当高 因而数值模拟已经成为气动光 学理论研究的一个重要手段和工具 以功率谱反演的湍流相屏方法已经在激光大气 传输的模拟中得到了成功的应用口0 以n a v i e r s t o k e s 方程组为描述的流体动力学方 法已经在g d l t c w c l t 飞行器表面的边界层 3 3 l 光束传输管等的气动光学的 稳定流场的研究中相当成功 蒙特卡罗方法也在气动光学的数值模拟中得到了应 用 成功地实现了c w c l 的三维模拟 3 4 另外 已经有利用均匀湍流的假定对气动 光学的相关方程对随机扰动进行求解的报道1 当然数值模拟的方法由于简化的物 理模型和近似的数值计算使数值模拟的结果和实验结果之间存在偏差 数值模拟的 结果必须由理论和实验来检验 并且对于某些复杂边界条件和随机扰动 数值模拟 尚不能很好地求解 因而试验研究是气动光学的必要手段 光束质量的试验手段往 往是对所有扰动的系综测评 一般利用远场光斑分布进行测量 对于大空间尺度的 有序扰动和湍流扰动 以波前传感为基础的近场波前重构方法 3 6 l 是较常用的试验方 法 全息方法 3 于涉仪 h a r t m a n n 波前传感器口8 i h w s 等已经在气动光学的有序 扰动和湍流扰动中得到了广泛应用和研究 高速干涉仪装置已经实现了气动光学效 应的实时校正 另外纹影仪等流场成象技术是观察流场的激波 剪切 混合层等有 序扰动分布的常用试验工具 4 由于随机扰动的理论模型中尚不成熟 随机扰动的 试验研究就显得相当重要 许多非介入的光学技术已经被用来研究气动光学现象中 的高速湍流f 4 基于光纤光学的流场监视仪已被用来测量高频 小尺度湍流特性 超高帧速相机已经用来研究高速湍流场的小尺度结构 基于湍流流场的全息干涉 图的条纹分析技术 4 如条纹跟踪等得到了深入的研究 由于飞行器表面等湍流流 场的研究复杂性 为模拟实际的超音速流场的湍流效应 已经建立了许多流场模拟 的试验模型及其流场中湍流特征的气动光学评估设备 4 总的说来 以强激光和超音速飞行器为背景的气动光学已经成为光学领域和气 动领域的又一个重要的研究课题1 4 1 2 气动光学的研究 由于我国的高能激光技术 飞行器成象技术等的发展水平相对比较迟缓 在国 内对气动光学的研究除大气部分外处于较零星发展状态 而国外已经有专门机构从 事气动光学的研究 有专为气动光学研究研制的光学诊断仪 随着国内高能激光技 术等的发展 气动光学的研究已经日趋必要 本文的工作主要结合激光器发展的现 第3 页 国防科学技术人学研究生院学位论文 状 对高能激光的产生与传输等工程问题中急待解决的气动光学部分进行研究与探 索 主要工作集中在气动光学的1 2 3 5 部分 分以下五章进行讨论 第二章的工作主要是在国内外诸多气动光学现象研究的基础上 介绍气动非均 匀介质的的分类 建立一套同时可以对激光在有序 随机和大气湍流三种非均匀气 动介质中传输的理论模型 讨论这三种气动非均匀介质之间的联系和区别及其对激 光光场的影响 进一步 建立气动非均匀介质折射率分布在激光腔内和激光传输管 及大气中的流体动力学模型 指出了介质分类的依据和三种非均匀介质在上述两个 模型中可能存在的条件和环境 第三章主要介绍气动光学的研究方法 气动非均匀介质对光束影响的评价标准 即光束质量 根据气动介质不均匀性对波前畸变影响的特点 选取一个在实验上容 易实现 物理意义比较清晰的评价标准 同时得出它们之间的相互关系 以便对实 验数据处理和后续解决方案的建立有一个参考 将光束质量的评价分为近场评价和 远场评价两类 推导了各种光束质量评价标准在小扰动条件下的相互关系 对常用 的光束质量b 因子在多随机扰动条件下进行了修正 进一步分析了随机扰动和有序 扰动的测量方法 指出在两种扰动同时存在的条件下 横向剪切干涉仪 l s i 可以同 时对两种扰动进行测量 因而是近场测量气动非均匀介质对光束质量影响的较好的 研究手段 对随机扰动和有序扰动的l s i 测量进行了分别的讨论 在有序扰动的测 量中 从波前信息采样的角度比较了l s i 和h w s 差别 在l s i 的基础上 提出了 波前延拓剪切干涉 w p s i 的波前重构及实现方法 考虑到w p s i 的装置的复杂 在 l s i 的测量基础上 利用波前延拓的假设 通过小波变换实现了基于小波变换的i s i 的波前重构新算法 在第一章的激光腔内的流体动力学模型基础上 第四章对典型的3 s l o t 喷管结 构的h f d f 化学激光器的运行情况在开发c h a r r m e r r a d o n 程序的基础上进 行了全面的数值模拟 计算了腔内不均匀介质在流场方向和腔轴方向上的二维有序 不均匀分布 分析了腔内流场对不均匀性的影响 对激光器有无激射 基频 泛频输 出 氧化剂喷管结构和n 稀释剂等对介质不均匀性的影响进行了详细的讨论 在 此基础上 对传统的2 s l o t 喷管结构和单氧化剂喷管结构的激光器腔内的介质不均 匀性也进行了数值模拟 分析比较了三种喷管结构在增益和介质不均匀性上的差 别 对非稳腔激光输出 介质不均匀性对相位的扰动进行了分析 计算了上述各种 激光器在望远式非稳腔条件下 有序不均匀介质扰动对光束相位影响引起的输出光 束的光束质量 在讨论了气动窗口的一般原理及其对通过光束波前的影响 着重分析了自由旋 气动窗口的工作原理及气动光学特征的基础上 结合第三章讨论的测量方法 第五 章对一套3 0 m m 3 0 m m 口径的自由旋气动窗口的气动光学量进行了剪切干涉测量 利用常规波前重构和基于小波变换的重构方法给出了有序扰动在流场方向上的一维 波前分布和相位方差及光束质量因子 与斜激波 膨胀波或联合机制的气动窗口进 行了比较 进一步利用干涉条纹的对比度 测量分析气动窗口的随机不均匀波前扰 动的分布 用同样的测量装置 对万瓦级c o 激光器的腔内介质不均匀性进行了测 量诊断 通过测量给出了介质对波前扰动的最大倾斜量和随机不均匀扰动的尺度分 布 测量结果表明 激光器的喷管已经有烧蚀 喷管喉道的宽度不均一 造成了腔 内随机不均匀起伏较大 第4 页 塞堕墼耋茎查奎塞堑塞兰鹜耋堡垒蚤 传输已经缮到了广泛的磷究 第六章在激光的精细光谱终掏和大气赢分辨吸收光谱 的基础上对c o i l f t d f 的大气吸收系数进行了计嚣 和爝第二窜建立的谶激光传输 的大气流体动力学模型 对强激光传输过程中的大气温升进行了解析和数值估算 遴一步 到媛该模型对低风速无溃滚 静盘太气鞠管道大气孛的热晕理象进行了数 值模拟 对细光束室内和管道内传输的热晕进行了估算 指出在高功率激光在室内 大气中的细光束传输存在较强的热晕现象 严重影响光束质量 提出了消除热晕的 磐手莰 如采将大气潺滚运动产生豹不均匀性对激光传稔方自 至激光旋量匏城弱 称为散射的话 大气中分子和气溶胶对激光的散射将是 个重要的组成部分 本章 埘大气中分子和气溶胶对激光的散射模型进行了讨论 并且计算了散射相函数 利 用经典敬辩理论对激光照明中存在的后离散射避行了理论分卡厅和试验研究 对建立 的窄光束激光照明的后向散射模型进行了验证 需要指出豹是 本文所研究数气动光学仅仅楚对具体工程闼题的讨论稠研究 许多工作仅仅是气动光学的初步探讨 其中一些数值模拟的结论匿然可以定性解释 些现象 但还越需要实验的具体结合 些实验的结果仅仅进行了定性的流体动 力学分撬 撼述了器件静滢戆 但若震要对器释瓣设计鼹供参考 还纛黉遴一步爨 深入理论和数值研究 另外气动光学的邂论体系还在不断的扩大 所采用的研究手 段随着新技术的发展不断的更新 因而本文中气动光学理论模型仅仅是一个探索 还需不断完善 在餮内 我们磷究所已经成立了气动光学研究中心 褥对气动光学 的研究引向更深的层次 最后必须指出 在国外 气动光学的研究在超音速飞行器 中光学戒象和光柬传输中的研究比较广泛秘热门 国内也有专门的硬究枫构 蠹露本 文没有涉及 筛5 页 复竖墼兰丝查叁童堡圣兰鹜堂堡鎏冬 参考文献 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 对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 强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 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