GLAD：热晕效应

概述
 

激光在大气中传输时部分能量被空气中的分子和气溶胶吸收。被吸收的热量将空气加热，导致气压上升，空气膨胀，空气密度降低，折射率下降，形成一个负透镜，使激光束发散。当存在侧向风时，下风区空气密度降低，因而下风区的折射率减小，形成特有的弯向上风区的光束分布，使光束畸变、弯曲和发散，劣化光束质量。这就是热晕效应。它是激光在大气中传输时所面临的严重问题之一。

 

图1.热晕效应成因示意图

 

系统描述
 

本例介绍了模拟激光在大气中传输时热晕效应对应的bloom命令的使用。描述热晕的基本方程包括波动方程和流体力学方程。首先由Maxwell方程得到激光波动方程，再结合流体力学中的三个守恒定律——质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律得到描述热晕效应的方程。对于理想气体，在等压近似下得到： 

 

 

本例对比了三种情况下的激光远场分布：（1）没有大气像差和热晕效应下的远场光强分布；（2）没有大气像差但有热晕效应下的远场光强分布；（3）同时考虑大气像差和热晕下的远场分布。通过对比我们会发现热晕效应会使光束焦点前移，焦斑沿垂直光轴方向发生位移，焦斑畸变，尺寸变大。

模拟结果

 

    

图1.不含大气像差和热晕效应的远场分布，此时光束的焦点在4km处，光斑尖锐。

图2.热晕效应导致的3.5km处的光斑分布，此时光束的焦点已经前移到2.7km，由于光斑变大，光强也显著降低，光斑的分布呈现出糖匙形状。

 
   

图3.热晕效应和大气像差共同决定的3.5km处的光斑分布，此时光束的焦点进一步前移到1.8km，由于光斑变大，光强显著降低，光斑的分布呈现显著的旁瓣。