2-51 驻区效应对激光大气传输的影响

张天树 雷广玉

　　在实际场景条件下,向大气中发射的激光束有可能产生驻区效应，因为，当激光束在大气中自然风方向转动时，在光路的某处一称驻点，实际上是绕驻点的一个区域，称驻区。由于转动抵消了自然风，这样在驻区便没有垂直束轴的横向对流运动，于是驻区的大气从激光束中吸收的热量便无法很快传走（大气为不良导热介质，不可能在激光束维持时间内靠热扩散传走热能），从而产生驻区热晕。

　　为了确定驻区效应对激光大气传输的影响，驻区理论分析和激光大气传输四维程序（简记为4D code）计算相结合的方法被采用了。根据大气自然风场、束转动及接收器运动的几何关系确定了驻区中心位置，并计算驻区长度。由于激光光路上的大气吸收激光能量，升温膨胀，造成密度变化从而引起折射率变化，随之引起相位变化，产生光程差。进一步由这种热畸变相位变化，计算出驻区热畸变数d N_D，d N_D与光强、光路长度及大气吸收系数成正比，与接收器运动速度成反比。

　　根据几何光学，驻区效应引起的光程差使得光线发生偏转，计算得到偏转角，从而得到偏转半径，将此驻区效应引起的扩束半径与衍射扩束半径比较，得到驻区效应对激光大气传输的影响判别式：dN_D≥dN^*_D=cb ，其中dN^*_D是驻区热晕扩束半径等于衍射扩束半径时的驻区热畸变数，b为束品质因子，c为依赖光束强度分布的常数因子，对于平顶分布，c=34。显然dN_D≥dN^*_D时需考虑驻区效应。

　　通过驻区理论分析，揭示了驻区热晕扩束半径的参量依赖关系，发现在不少感兴趣的情况下，dN_D< N^*_D,这时（通常是高接收器速度、低功率、光路不太长等）驻区效应影响很小，而这些情况下的激光大气传输4D code 计算结果，亦说明可以忽略驻区效应的影响。当然，对低接收器速度（如几十米/秒）情况，共面驻区效应可使接收器上焦斑平均光强降低百分之几十，对于非共面驻区（即光束转动平面与大气风（设在x方向）所在平面间夹角q >0，q=0相应于共面驻区]情况，即使横向x方向的有效风速为零，而y方向的有效风速不为零，它正比于sinq ，所以非共面情况弱化驻区影响。对于几十米/秒低接收器速度情况，4D code 驻区效应计算结果表明：q≥ 30°时，驻区效应影响已可忽略。