湍流大气中激光能量输运的相关问题研究

能源和环保问题是人类今后将面临的两大严峻问题。地球之外有丰富的太阳能，利用激光辐射把转换的太阳能输运到地面上是一个全球性的再生能源新概念。迄今为止，国内外仅提出了利用自聚焦效应可以减少对发射器和接收器尺寸的要求，将强激光束从空间轨道输运到地面。然而，对于强激光的大气传输，光束畸变以及大气非均匀湍流等因数对光束质量的影响是十分显著的。另一方面，理论和实验均证明：部分空间相干光较完全相干光受大气湍流影响要小。本项目拟研究光束畸变和大气非均匀湍流等因数对光束初始功率和空间轨道反射镜尺寸限制的影响；探索部分空间相干光较完全空间相干光是否更有利于减小空间轨道光学器件和地面接收器尺寸的问题。此外，采用解析方法和数值计算模拟相结合的方法，研究大气非均匀湍流对畸变光束传输特性的影响。本项目研究成果可为实际强激光从空间轨道向地面输运和控制提供理论基础和计算依据，具有理论和实际应用意义。

能源和环保问题是人类今后将面临的两大严峻问题。地球之外有丰富的太阳能，利用激光辐射把转换的太阳能输运到地面上是一个全球性的再生能源新概念。之前的工作仅限于提出了利用自聚焦效应可减少对发射器和接收器尺寸的要求，将强激光束从空间轨道输运到地面。然而，对于强激光的大气传输，光束畸变以及大气非均匀湍流等因数对光束质量的影响是十分显著的。本项目主要研究内容、成果及其科学意义如下：(1) 研究了球差效应对强激光大气能量输运的影响。研究发现：对于小尺寸轨道反射镜，负球差使得激光光斑压缩效果更好，光斑能够小于衍射极限，因此利用负球差可达到更好压缩光斑尺寸的目的。相关研究成果已在国际TOP学术期刊《Optics Letters》上发表。(2) 研究了光的部分空间相干性对强激光大气能量输运的影响。研究发现：相干性越差的激光能够承受的成丝崩塌的阈值临界功率越大。推导出了获得最大光束压缩并保证无成丝崩塌的部分相干激光的初始功率、轨道反射镜尺寸与光束空间相关长度满足的关系式，该理论结果对强激光大气能量输运具有重要指导作用。(3) 研究了非均匀斜程大气湍流和non-Kolmogorov大气湍流对激光能量集中度的影响。研究发现：负球差时，大气湍流对给定份额光束能量集中度的影响与对给定“桶”半径内光束能量集中度的影响是不同的；能量Strehl比随环状光束遮拦比变化存在一个最大值（此时能量集中度受湍流影响最小）。(4) 研究发现：振幅调制和相位畸变光束受湍流的影响比高斯光束要小。(5) 实验研究了畸变激光通过大气湍流的传输特性。研究发现：大气湍流会削弱球差效应对光束扩展的影响。(6) 研究了部分相干光在大气湍流中经猫眼光学镜头反射光的原路返回特性。研究发现：部分相干光比完全相干光更适合作为主动探测光。(7) 研究了激光高阶矩在大气湍流中的传输特性，推导出了部分相干光在大气湍流中沿斜程路径传输光束高阶矩的矩阵传输定律。(8) 研究了大气热晕对光束传输特性的影响。研究发现：由于热晕，Airy光束不再能够保持光束形状不变，偏心光束质心位置会越过中心而位于另一侧。 (9) 研究了斜程大气湍流对环状光束闪烁特性的影响，提出了一种减小大气湍流中光闪烁的方法（即：弱湍流中利用正球差可减小光闪烁），该结果对自由空间光通信具有重要意义。本项目所得研究结果不仅有理论上的创新性，而且可为实际应用提供理论基础和计算依据。