相干阵列光束在高超声速流场中的光学特性演化及控制技术研究

.Coherent beam array transmission in hypersonic flow field is a subject intersection between laser technology and hypersonic technology. It is also one of the current interdisciplinary research frontiers and hot spots. Coherent beam combination (CBC) can fulfill requirements of many areas, such as continues laser with high average power and pulse laser with high peak power while maintaining good beam quality. After combining the target-in-the-loop (TIL) technique with CBC technique, people can effectively compensate the phase distortions along the whole path and successfully improve the laser brightness at the target surface. But currently, all the TIL-CBC theories and experiments are focused on the stationary or low-speed target. None theory or experiment of coherent beam array through hypersonic flow field has been carried out. When the target is moving at hypersonic speed in the atmosphere, there will be hypersonic flow turbulence around the target, which includes the shockwave layer, the boundary layer and the plasma sheath turbulence. This hypersonic flow turbulence will absorb some of the incident laser photon and change the optical characteristics severely. How to suppress the influence of hypersonic flow field on the coherent array beams and realize the perfect coherent state on the target surface has become an urgent problem to be solved. To sum up, this project will theoretically establish the transmission and control models of coherent beam array propagating through hypersonic flow field. An experimental verification platform will be carried out based on a wind tunnel equipment to realize the CBC under the hypersonic flow condition.

相干阵列光束在高超声速流场中的传输是激光技术与高超声速技术领域的学科交叉点，也是当前交叉学科的研究前沿和热点之一。相干阵列激光光束在保持高光束质量的同时能够满足诸多领域高功率的需求。将目标在回路技术与相干合成技术有效结合后，通过近场相位控制便可有效补偿整个传输路径中引入的波前畸变，从而有效提升阵列光束到达目标表面的亮度。但是当前仅有的目标在回路理论与实验研究均以静止目标或低速目标为研究对象，尚未开展以高超声速运动目标为对象的理论和实验研究。当目标在大气层中作高超声速运动时，其周边必定产生含有激波层、边界层、等离子体壳套在内的高超声速流场，并将改变阵列光束光场分布，进而严重影响达到目标表面的光束质量。如何抑制高超声速流场对相干阵列光束的影响、实现阵列光束在高超声速目标表面的相干合成成为亟待解决的问题。综上，本项目将从理论和实验上研究相干阵列光束在高超声速流场中的传输和控制技术问题。

相干阵列光束在高超声速流场中的传输是激光技术与高超声速技术领域的学科交叉点，也是当前交叉学科的研究前沿和热点之一。当前仅有的目标在回路理论与实验研究均以静止目标或低速目标为研究对象，尚未开展以高超声速运动目标为对象的理论和实验研究。本项目拟建立考虑高超声速流场的相干阵列激光光束的传输与控制模型，系统研究相干阵列激光光束与高超声速流场的相互作用及高超声速流场对相干控制系统的影响，给出兼顾静态湍流抑制和动态高超声速流场抑制的高超声速目标表面光束质量提升的技术方案。.项目主要研究内容包括：a. 构建相干阵列激光光束在高超声速气流中传输的理论模型。b. 建立了阵列光束经高超声速目标表面反射后的后向光束在高超声速气流中逆向传输的理论模型。c. 建立了阵列激光在高超声速气流作用下相干合成的优选控制方案。.项目取得的重要结果包括：建立相干阵列光束在高超声速流场中传输模型项目实施过程中建立了单元光束在高超声速流场中的传输模型，分析了阵列整体调控的模型选择、相干阵元光束的时空特性对到靶合成光束的影响，分析了目标面反射/散射回光与激波层的相互作用机理以及目标特性对接收回光的影响等，数值分析结果表明接收面回光强度比目标面低三个量级，且光强分布更加发散，高频分量明显增多。提出了相干控制系统优化评价算法。阵列光束传输路径不再只是经典的湍流大气，而是加入了含激波层、边界层的高超声速流场，这就使得阵列光束相位的时空特性分布也更加复杂，因此，经过深入的理论分析，针对不同的实验控制系统，选择了SPGD算法作为合适的评价算法。.本项目的科学意义在于针对单频阵列光纤激光目标在回路大气传输系统进行了详细的数值模型建立与分析。该工作为强动态湍流下的双程光束传输模型建立打下了基础，为后续分析高超声速状态下的气动光学效应对主动指示激光的光束质量退化提供精确数值分析模型，以期为相关技术试验提供理论支撑。