超短脈沖強激光在介質(zhì)中的傳輸及激光在水下聲源中的應(yīng)用.pdf

1、近年來，隨著激光器技術(shù)的不斷進步，超短脈沖強激光在介質(zhì)中的傳輸、成絲控制以及激光在水下聲源中的應(yīng)用成為領(lǐng)域內(nèi)的一個研究熱點。本文在此基礎(chǔ)上，開展超短脈沖強激光傳輸、成絲控制及激光水下聲源應(yīng)用的研究。
　　本文首先研究了超短脈沖強激光在傳輸介質(zhì)中傳輸時所引起的散射、空間-時間散焦、群速度色散、高階色散、克爾自聚焦、自相位調(diào)制、拉曼效應(yīng)、多光子電離等效應(yīng)，對超短脈沖強激光在傳輸介質(zhì)中的傳播過程進行了全面的描述。本文還分析了等離子體與激

2、光的相互作用過程，并綜合超短脈沖強激光在傳輸介質(zhì)中傳輸時的各種效應(yīng)，給出了具體的數(shù)學(xué)模型。
　　隨后，本文采用數(shù)值仿真計算的方法，對超短脈沖強激光在傳輸介質(zhì)中的傳輸過程進行了二維和三維仿真。在二維仿真中，研究了激光峰值功率、脈沖形狀、激光波長、脈寬等因素對激光傳輸、成絲及產(chǎn)生的電離通道的影響。仿真結(jié)果表明，激光峰值功率越高，越有利于形成連續(xù)的電離通道;采用貝塞爾形激光脈沖，其產(chǎn)生的電離通道寬度更窄、長度更長、電子密度分布更均勻。改

3、變激光波長為248nm的紫外激光，其產(chǎn)生的電子密度數(shù)量級保持不變，而相應(yīng)的峰值功率密度減小兩個數(shù)量級。保持激光其它參數(shù)不變，增大脈寬將使電離通道中的電子密度分布更均勻。在三維仿真中，研究了橢圓形激光脈沖、圓環(huán)形激光脈沖、黑色薄片、幅度盤及相位盤等手段對多絲分布的影響。結(jié)果表明，初始激光脈沖形狀為橢圓形時，絲沿橢圓長軸方向分布，而在橢圓短軸方向上，絲分布區(qū)域被壓縮。當(dāng)初始激光脈沖形狀為圓環(huán)形時，絲沿圓環(huán)軸線排列，從而在空間上形成一管道形電

4、離通道。采用黑色薄片，對激光進行裁切，當(dāng)激光脈沖被裁切為一維直線形、正方形及橢圓形時，相應(yīng)形成的多絲也分別排列成直線形、正方形及橢圓形形狀。通過采用幅度盤，可對絲的數(shù)量進行精確控制，此時，絲排列成規(guī)則的幾何形狀。改用相位盤，絲沿相位改變極大值方向進行排列。
　　針對激光在水下聲源的應(yīng)用，本文分別研究了熱膨脹機制、汽化機制及擊穿機制下激光聲源的波形、頻譜、指向性等特性。本文還研究了雙空泡情況下，激光致空化氣泡潰滅及其產(chǎn)生的聲波輻射。

5、研究結(jié)果表明，通過控制激光光強的時域波形、光斑形狀、激光串波形形狀、重復(fù)頻率等參數(shù)，可有效控制激光水下聲源的時域波形、頻譜及指向性。汽化機制下，激光聲源產(chǎn)生聲波的時域波形、頻譜及指向性等隨觀測點位置、觀測頻率、光斑位置等不同而不同。擊穿機制下，通過建立等離子體柱模型與等離子體橢球模型，研究了兩種情況下聲波的指向特性。此外，在激光致單空泡運動及其輻射聲波的基礎(chǔ)上，研究了雙空泡運動情況下，空泡運動及其輻射聲波。研究發(fā)現(xiàn)，空泡間距越小，空泡潰

6、滅時達到的最小半徑越小，輻射產(chǎn)生的聲壓越高。
　　最后，本文設(shè)計實驗，研究了激光水下聲源的時域、頻譜特性，并分別研究了水下聲源輻射聲壓級與激光能量、水體鹽度、顆粒物濃度、聚焦點位置等因素的關(guān)系。實驗結(jié)果表明，激光能量越高，激光產(chǎn)生的聲壓級越高，兩者近似成2次方關(guān)系;隨水體鹽度增加，激光聲源輻射聲壓級呈上升趨勢。當(dāng)觀測點位置一定時，聚焦點位置離水面越近，激光致聲源輻射聲波的聲壓級越高。激光聲源輻射聲壓隨顆粒物濃度的升高并沒有明顯的上