GLAD：熱暈效應

概述
 

激光在大氣中傳輸時部分能量被空氣中的分子和氣溶膠吸收。被吸收的熱量將空氣加熱，導致氣壓上升，空氣膨脹，空氣密度降低，折射率下降，形成一個負透鏡，使激光束發散。當存在側向風時，下風區空氣密度降低，因而下風區的折射率減小，形成特有的彎向上風區的光束分布，使光束畸變、彎曲和發散，劣化光束質量。這就是熱暈效應。它是激光在大氣中傳輸時所面臨的嚴重問題之一。

 

圖1.熱暈效應成因示意圖

 

系統描述
 

本例介紹了模擬激光在大氣中傳輸時熱暈效應對應的bloom命令的使用。描述熱暈的基本方程包括波動方程和流體力學方程。首先由Maxwell方程得到激光波動方程，再結合流體力學中的三個守恒定律——質量守恒定律、動量守恒定律、能量守恒定律得到描述熱暈效應的方程。對于理想氣體，在等壓近似下得到： 

 

 

本例對比了三種情況下的激光遠場分布：（1）沒有大氣像差和熱暈效應下的遠場光強分布；（2）沒有大氣像差但有熱暈效應下的遠場光強分布；（3）同時考慮大氣像差和熱暈下的遠場分布。通過對比我們會發現熱暈效應會使光束焦點前移，焦斑沿垂直光軸方向發生位移，焦斑畸變，尺寸變大。

模擬結果

 

    

圖1.不含大氣像差和熱暈效應的遠場分布，此時光束的焦點在4km處，光斑尖銳。

圖2.熱暈效應導致的3.5km處的光斑分布，此時光束的焦點已經前移到2.7km，由于光斑變大，光強也顯著降低，光斑的分布呈現出糖匙形狀。

 
   

圖3.熱暈效應和大氣像差共同決定的3.5km處的光斑分布，此時光束的焦點進一步前移到1.8km，由于光斑變大，光強顯著降低，光斑的分布呈現顯著的旁瓣。