地基空间碎片清除中宽带脉冲激光大气传输相关物理问题研究

A large number of space-debris poses great threat to human space activities. The laser space-debris cleaning is an important and effective method. Until now, the main two aspects of experimental and theoretical research have been carried out, namely, the impulse coupling characteristics between laser and space-debris, and de-orbit characteristics of space-debris due to laser. However, the problem of high-power laser beam propagation through the atmosphere will be encountered in laser space-debris cleaning. Furthermore, the effects of self-focusing, the group velocity dispersion and the atmospheric turbulence, etc. on the beam quality are very significant. Therefore, the physics problems of broadband laser pulses propagating in the atmosphere must be resolved before the technology of ground-based space-debris cleaning is used in practice. In this project, we begin the research with two important parameters (pulse duration, beam width) related to the laser power required for space-debris cleaning. We study the self-focusing effect and the group velocity dispersion effect in the inhomogeneous atmosphere, and study the influence of pulse duration, beam spatial coherence, beam higher-order mode, beam annular distribution and aberration on the beam quality. We provide the methods that are beneficial to space-debris cleaning. The results obtained in this project will provide basic theories and calculation methods for the space-debris cleaning.

大量太空垃圾对人类航天活动构成了巨大威胁，激光空间碎片清除是一种非常重要且有效清理太空垃圾的方法。迄今为止，国内外主要围绕两方面，即：激光与空间碎片的冲量耦合特性、激光作用下碎片的减速降轨特性，开展相关实验和理论研究。然而，地基空间碎片清除不可避免地会遇到强激光大气传输问题，而强激光大气传输出现的自聚焦和群速度色散效应、以及大气湍流等因素对光束质量的影响是十分显著的。因此，要将地基激光空间碎片清除技术用于实践，必须弄清楚空间碎片清除中宽带脉冲激光大气传输相关物理问题。本项目以清除空间碎片所需激光能量涉及的两个重要物理量（脉宽、束宽）为出发点，研究宽带脉冲激光在地球随高度变化的非均匀大气中传输的自聚焦效应、群速度色散效应，以及激光带宽、啁啾、空间相干性、高阶模、环状分布、像差和大气湍流等物理因素对光束质量的影响，提出有利于激光空间碎片清除的途径，为地基激光空间碎片清除提供理论基础和计算依据。

大量太空垃圾对人类航天活动构成了巨大威胁，激光空间碎片清除是一种重要且有效的清理太空垃圾方法。地基激光空间碎片清除不可避免地会遇到高功率激光大气传输问题，而高功率激光大气传输时自聚焦效应、群速度色散效应和大气湍流等因素对光束质量的影响是十分显著的。因此，要将地基激光空间碎片清除技术用于实践，必须弄清楚空间碎片清除中宽带脉冲激光大气传输相关物理问题。本项目主要研究内容、重要结果及其科学意义如下：(1) 推导出了部分相干激光在非线性介质中的解析传输公式和ABCD定律，相关成果已在国际著名学术期刊《Optics Letters》上发表。(2) 建立了部分相干脉冲光在非线性介质中的准稳态自聚焦理论，发现部分相干比完全相干脉冲光在避免材料发生光学损伤方面更具优势，相关成果已在国际学术期刊《Optics Letters》上发表。(3) 建立了厄米-高斯激光束在Kerr介质的传输理论，相关成果已在国际著名学术期刊《Optics Express》上发表。(4) 推导出了扭曲高斯-谢尔模型光束在非线性Kerr介质中的传输方程，发现它比理想高斯激光束在抵御大气自聚焦和湍流效应上更具优势，即在地基激光空间碎片清除中具有潜力，相关成果已在国际学术期刊《Optics Express》上发表。(5) 研究发现：高功率激光地对空上行大气传输时存在最佳发射功率Popt，并提出了大气吸收系数的等价模型，推导出了Popt的解析公式。(6) 研究发现：自聚焦和群速度色散的共同作用，空间碎片靶面上会出现脉冲分裂和旁瓣光强分布。(7) 研究了光阑效应和部分相干性对碎片靶面光束质量的影响。为提高靶面光束质量，推导出了修正焦距公式。(8) 研究表明：利用正球差可提高大尺寸发射光束的靶面光强，利用负球差提高小尺寸发射光束的靶面光强。(9) 提供了一种实现碎片靶面上均匀辐照的方法，相关成果已在国际学术期刊《Optics Express》上发表。(10) 提出了非线性相移进行二次近似，并建立了高功率激光上行湍流大气传输远程能量输运的解析模型，相关成果已在国际学术期刊《Optics Express》上发表。本项目研究成果具有创新性，为地基激光空间碎片清除应用提供了理论基础和研究模型。