一种激光传输光束抖动效应的数值模拟方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种数值模拟方法，具体涉及一种激光传输光束抖动效应的数值模拟 方法。
【背景技术】
[0002] 激光实际大气传输过程中，影响其到达目标平面上功率密度的因素主要有激光器 本身特性、大气传输过程中产生的线性和非线性效应等。激光器本身特性主要包括光束出 口分布、激光发射系统跟踪精度等，大气传输过程中产生的线性和非线性效应主要包括激 光传输路径上大气密度不均匀引起的大气折射效应，大气分子和气溶胶的吸收与散射效 应，大气密度不均匀引起的光束扩展、光束漂移、光强闪烁等湍流效应，大气吸收激光束能 量导致光强分布发生畸变的热晕效应等。对大气传输过程中的线性和非线性效应的研宄已 经较为成熟，而对激光发射系统跟踪精度对到靶功率密度影响的研宄一般利用解析理论公 式给出，无法应用到激光大气传输数值模拟过程中。本方法将跟踪精度的影响转化为光束 的出口波前的相位畸变，再进行大气传输计算，进而得到靶面光斑光强分布，利用多次计算 结果进行积分平均，即可得到激光发射系统跟踪精度对激光到靶功率密度影响。
[0003] 现有技术（苏毅，万敏.高能激光系统.国防工业出版社，2004)中提出，在大气 中传输的强激光由于大气湍流和热晕效应的影响，其发散角将增大，激光束的等效发散角 为：
[0004] 0 = 2 入 0 D-1 [1+ ( 0 / 0 D) 2+ (D/r。）2]1/2 ? (1+0. 0625N2)1/2
[0005]其中，A为激光波长，0为发射激光的光束质量，为单轴抖动均方根值，〇d为 衍射角，D为发射激光孔径，r(l为激光传输路径上的大气相干长度，N为激光传输路径上的 热畸变参数。利用激光束的等效发散角即可得到靶面上的光斑直径，进而计算激光到靶功 率密度。单轴抖动均方根值〇T即可体现激光发射系统跟踪精度对激光到靶功率密度影响。
[0006] 然后现有技术仅能对激光到靶功率密度进行估算，但不能应用在激光传输光束抖 动效应的数值模拟中。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种激光传输光束抖动效应 的数值模拟方法，该方法可以实现激光传输光束抖动效应的数值模拟。
[0008] 为达到上述目的，本发明所述的激光传输光束抖动效应的数值模拟方法包括以下 步骤：
[0009] 1)产生一组在[0,231]均匀分布随机数作为垂直于传输平面上的方向角0i，产 生一组均方根为〇的高斯分布随机数作为轴向上的方向角02;
[0010]2)根据方向角0 方向角02与Zernike多项式的第一阶系数和第二阶系数 &2之间的关系得到Zernike多项式第一阶系数ai和第二阶系数a2;
[0011] 3)根据Zernike多项式第一阶系数ai和第二阶系数&2计算倾斜的波前相位；
[0012] 4)将倾斜的波前相位叠加在发射光束光场上实现激光传输光束抖动效应的数值 模拟。
[0013] 步骤1)中瞬时光斑质心围绕其平均光斑质心在各个方向上的概率相同，瞬时光 斑质心围绕其平均光斑质心位置变化的均方根为光束抖动误差。
[0014] 步骤2)中方向角0种方向角02与Zernike多项式第一阶系数和第二阶系 数&2之间的关系为：
【主权项】
1. 一种激光传输光束抖动效应的数值模拟方法，其特征在于，包括w下步骤： 1) 设瞬时光斑质屯、围绕其平均光斑质屯、在各个方向上的概率相同，瞬时光斑质屯、围绕 其平均光斑质屯、位置变化的均方根为光束抖动误差，产生一组在[〇,2n]均匀分布随机数 作为垂直于传输平面上的方向角0 1，产生一组均方根为0的高斯分布随机数作为轴向上 的方向角0 2; 2) 根据方向角01和方向角02与Zernike多项式的第一阶系数a1和第二阶系数a2 之间的关系得到Zernike多项式第一阶系数ai和第二阶系数32; 3) 根据Zernike多项式第一阶系数ai和第二阶系数a2计算倾斜的波前相位； 4) 将倾斜的波前相位叠加在发射光束光场上实现激光传输光束抖动效应的数值模拟。
2. 根据权利要求1所述的激光传输光束抖动效应的数值模拟方法，其特征在于，步骤 2) 中方向角01和方向角02与Zernike多项式第一阶系数a1和第二阶系数a2之间的关 系为：
其中，k为激光的波数，且k= 2n/A为激光的波数，A为激光的波长。
3. 根据权利要求1所述的激光传输光束抖动效应的数值模拟方法，其特征在于，步骤 3) 中倾斜的波前相位在直角坐标系下的表达式为： 巫 x(x，y)=2aiX (16) 巫 Y(x，y)=2a2y (17)
4. 根据权利要求1所述的激光传输光束抖动效应的数值模拟方法，其特征在于，步骤 3)中倾斜的波前相位在极坐标系下的表达式为： 巫 X(P，日）=2aiPcos(日） （14) 巫y(P，目）=2a2Psin(目） （15)
5. 根据权利要求3或4所述的激光传输光束抖动效应的数值模拟方法，其特征在于，步 骤4)将倾斜的波前相位叠加在发射光束光场上的表达式为： E =E〇exp[i(巫X+巫y)] (18) 其中，E。为发射光束光场，i为虚部。
【专利摘要】本发明公开了一种激光传输光束抖动效应的数值模拟方法，包括以下步骤：1)设光束抖动时各向同性，抖动角均方根为σ，在极坐标下，产生两组随机数θ1、θ2，θ1为0-2π的均匀分布随机数，θ2为均方根为σ的高斯分布随机数；2)根据θ1和θ2与Zernike多项式第一阶系数a1和第二阶系数a2之间的关系得到Zernike多项式第一阶系数a1和第二阶系数a2；3)根据Zernike多项式第一阶系数a1和第二阶系数a2计算倾斜的波前相位；4)将倾斜的波前相位叠加在发射光束的光场上实现激光传输光束抖动效应的数值模拟。本发明可以实现激光传输光束抖动效应的数值模拟。
【IPC分类】G02B27-00, G02B27-48
【公开号】CN104849859
【申请号】CN201510257171
【发明人】常金勇, 强希文, 胡月宏, 宗飞, 赵军卫, 冯建伟, 吴敏, 封双连, 李志朝
【申请人】中国人民解放军63655部队
【公开日】2015年8月19日
【申请日】2015年5月19日