飛秒激光穿越大氣層傳輸特性的模擬研究.pdf

1、本論文主要對飛秒激光穿越地球大氣層過程中的一些基本特性進(jìn)行研究，尤其對斜入射時大氣的蒙氣差值和角色散值作了數(shù)值模擬；還著重對脈沖穿越大氣過程中的展寬量作了分析和計算，并通過計算給出了50 km大氣層的瑞利脈寬值；最后，分析了大氣的吸收和散射對激光能量的衰減作用。研究內(nèi)容對激光測距、太空垃圾清除、天體測量以及激光制導(dǎo)等方面的研究有較強(qiáng)的實際應(yīng)用價值。論文的主要內(nèi)容如下：
　　(1)采用Owens模型和相關(guān)數(shù)據(jù)擬合得到了大氣溫度、大氣

2、壓強(qiáng)隨海拔高度的變化規(guī)律，進(jìn)而得到了大氣折射率隨海拔高度的變化公式。計算表明蒙氣差和大氣角色散均會隨著入射天頂角的增加而增加，尤其是入射天頂角大于60°時，其增加變得非常迅速。而隨著激光中心波長的增加，蒙氣差值和大氣角色散值減小。入射飛秒激光脈沖在非垂直發(fā)射條件下，穿越50 km大氣層后，由角色散引起的橫向光斑尺寸的增加量僅有2毫米，而衍射公式得到的光斑尺寸的增加為210 mm，導(dǎo)致光束橫向尺寸增加的主要原因依然是光束的衍射效應(yīng)。

3、>　　(2)分析研究了飛秒脈沖穿越大氣層過程中時域色散導(dǎo)致脈沖展寬的過程。由于大氣的色散作用，以及斜入射時有效傳輸光程的增加，在大氣中傳輸?shù)娘w秒激光脈沖的脈寬展寬量隨入射天頂角的增加而增加隨著飛秒脈沖中心波長的增加而減小。對于35 fs，800 nm中心波長的入射脈沖，垂直入射時的出射脈寬為14.07 ps，當(dāng)入射天頂角為75°時，出射脈寬為54.45 ps，脈沖展寬量大約增加了4倍；而垂直入射時中心波長為1550 nm的飛秒脈沖出射脈

4、寬為7.01 ps，其展寬量是中心波長為800 nm的飛秒脈沖展寬量的一半。
　　(3)同一入射天頂角下，無啁啾的初始脈沖在大氣層中傳輸時，無啁啾的初始脈沖寬度越窄展寬量越大，隨著無啁啾入射脈沖寬度的逐漸增加，對應(yīng)的出射脈寬先減小后增大，經(jīng)歷一個不太明顯的拐點，該拐點處所對應(yīng)的脈寬即為最佳脈寬。計算得到了不同中心波長、不同入射天頂角情況下的瑞利脈寬值（該瑞利脈寬實際上即為最佳脈寬）。對于中心波長為800 nm,1064 nm和15

5、50 nm的飛秒激光脈沖,垂直入射時的瑞利脈寬分別為：700 fs，605 fs和495 fs。隨著入射天頂角的增加，瑞利脈寬也會增加。例如，對中心波長為800 nm的入射脈沖，入射天頂角為82.5°時瑞利脈寬約為垂直入射時的3倍左右。瑞利脈寬值隨中心波長的增加而減小。
　　(4)估算了激光垂直入射情況下穿越50 km大氣層后大氣的透過率，計算結(jié)果表明，800、1064和1550 nm波長(處在大氣窗口波段)的大氣透過率要比138