Численное исследование тепловых искажений когерентных лазерных пучков в атмосфере тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. ЧИСЛЕННОЕ РЕШЕНИЕ ВОЛНОВЫХ ЗАДАЧ МЕТОДАМИ

РАСЩЕПЛЕНИЯ И ФУРЬЕ-ПРЕОБРАЗОВАНИЯ.

§ I. Решение задач дифракции методом Фурье.

Модификация алгоритма.II

§ 2. Статистическая задача дифракции: флуктуации. волн за случайным фазовым экраном.

§ 3. Решение задач распространения волн методом расщепления. Модификация алгоритма.

§ 4. Статистическая задача распространения: флуктуации волн в случайно-неоднородной среде.

Выводы по главе 1.

ГЛАВА П. ТЕПЛОВОЕ САМ0В03ДЕЙСТВИЕ ЛАЗЕРНЫХ ПУЧКОВ.

НА АТМОСФЕРНЫХ ТРАССАХ.

§ 5. Решение задач самовоздеиствия волн методом расщепления.

§ 6. Тепловые искажения лазерных пучков на вертикальных трассах.

§ 7. Влияние флуктуаций скорости ветра на дефокусировку пучка.

§ 8. Тепловое самовоздействие в турбулентной среде.

Выводы по главе П.

ГЛАВА Ш. МИНИМИЗАЦИЯ ТЕПЛОВЫХ ИСКАЖЕНИЙ МЕТОДАМИ

АДАПТИВНОЙ ОПТИКИ.

§ 9. Тепловое самовоздействие фокусированных пучков в атмосфере.

§10. Программная фазовая коррекция тепловых искажений на вертикальных трассах.

§11. Адаптивная фазосопряженная коррекция по опорной волне.III

§12. Компенсация турбулентных искажений мощных лазерных пучков.

Выводы по главе Ш.

ЗАКЛЮЧЕНЫ Е.

Повышение мощности источников когерентного лазерного излучения, ведущее к расширению сферы их применения в различных областях науки и техники, выдвигает на передний план исследования нелинейного взаимодействия излучения со средой, и в частности, нелинейного самовоздействия световых пучков в естественных средах. В последнее время роль таких исследований возрастает в связи с проблемой распространения мощного лазерного излучения в атмосфере.

Среди широкого круга задач нелинейной атмосферной оптики важное место занимают вопросы теплового самовоздействия когерентных пучков непрерывного излучения. Тепловые искажения пучка, вызванные молекулярным поглощением световой энергии газовыми компонентами атмосферного воздуха, имеют самый низкий энергетический уровень и будут проявляться в большинстве прикладных задач, связанных с передачей лазерной энергии через атмосферу. Являясь одним из основных препятствий на пути решения этих задач, проблема теплового самовоздействия ставит в ряд наиболее актуальных исследований разработку методов и систем адаптивного управления параметрами лазерного излучения с целью минимизации атмосферных искажений световых пучков.

К настоящему времени тепловое самовоздействие когерентных пучков в регулярных газовых потоках изучено достаточно подробно. Математическая модель, положенная в основу теоретического описания этого физического явления, подтверждена многочисленными лабораторными экспериментами. Она включает в себя систему многомерных квазилинейных уравнений в частных производных второго порядка для комплексной амплитуды поля световой волны и первого порядка для поля показателя преломления среды. Аналитическое исследование такой задачи в общем случае представляет серьезную математическую проблему, не ре. -шенную до сих пор. В настоящее время общепризнанным методом теоретического анализа эффектов теплового самовоздействия является численное исследование на ЭВМ методами математического моделирования. Существуют различные алгоритмы численного решения задач волновой нелинейной оптики, основанные на методах конечных разностей, конечных элементов, расщепления и спектральных преобразований.

Однако, при прогнозировании тепловых искажений лазерных пучков на атмосферных трассах необходимо учитывать ряд важных дополнительных факторов - изменчивость оптических параметров среды вдоль трассы из-за стратификации атмосферы (на вертикальных трассах), флуктуации этих параметров из-за турбулентности атмосферы (на горизонтальных трассах). Эти вопросы в ностоящее время остаются малоизученными, так как для численного решения стохастических нелинейных уравнений методом статистических испытаний необходимы эффективные быстродействующие алгоритмы моделирования случайных полей с заданными свойствами, численного решения динамической части волновой задачи, статистического анализа полученных результатов.

Целью настоящей диссертационной работы является теоретическое исследование методами численного моделирования на ЭВМ основных закономерностей теплового самовоздействия когерентных лазерных пучков непрерывного излучения на атмосферных трассах. Данное исследование включало решение следующих основных задач:

1. Разработку эффективных алгоритмов численного моделирования и создание на их основе комплекса прикладных программ для решения на ЭВМ динамических и статистических задач нели

О О U «V- «I неинои волновой атмосферной оптики.

2. Оценку тепловых искажений лазерных пучков на вертикальных трассах с использованием средаеширотных сезонных моделей высотного изменения параметров атмосферы.

3. Оценку тепловых искажений пучков на горизонтальных трассах с учетом влияния турбулентных флуктуации скорости ветра и температуры среды на самовоздействие пучка.

4. Численное моделирование адаптивных оптических систем, предназначенных для минимизации тепловых и турбулентных искажений световых волн, с целью оценки эффективности методов фазовой коррекции лазерных пучков в атмосфере.

Научная новизна работы заключается в следующем. На основе предложенной автором модификации алгоритма расщепления разработан комплекс вычислительных программ для решения широкого круга детерминированных и стохастических задач нелинейной волновой оптики. Проверка этих программ на решении тестовых задач, а также сравнение результатов с имеющимися теоретичес:сими и экспериментальными данными свидетельствуют об эффективности разработанных алгоритмов и о достоверности получаемых по ним результатов.

Впервые исследовано тепловое самовоздействие коллимиро-ванных и фокусированных пучков на вертикальных трассах с использованием среднеширотных сезонных моделей высотного профиля параметра нелинейности. Получены количественные зависимоети передаваемой через атмосферу максимальной интенсивности излучения от начальной мощности пучка. Оценено влияние на тепловые искажения сезонных изменений характерной мощности теплового самовоздействия.

Количественно исследовано влияние флуктуации скорости ветра на тепловое расплывание в стационарном приближении для уравнения переноса тепла. Впервые в численном эксперименте решена нестационарная задача теплового самовоздействия пучка в турбулентной случайно-неоднородной среде.

Количественно оценена эффективность априорной (программной) фазовой коррекции тепловых искажений когерентных пучков на горизонтальных и вертикальных трассах. Поставлена и решена задача численного моделирования нестационарных адаптивных систем фазового сопряжения опорной волны. Количественно оценена эффективность таких систем при компенсации тепловых и турбулентных искажений лазерных пучков.

Методическая часть диссертации, включающая разработанные автором вычислительные алгоритмы и программы, имеет сферу применимости, выходящую за рамки сфор^лированной темы. Она охватывает, в частности, такие области прикладной оптики как математическое обеспечение контроля качества оптических систем, расчет лазерных резонаторов, коррекция цифровых изображений. Часть алгоритмов входит в систему математического обеспечения ИОА СО АН СССР, внедрена в СКВ НП "Оптика", принята в Государственный фонд алгоритмов и программ.

Проведенные исследования тепловых искажений пучков на атмосферных трассах, а также оценка влияния на них турбулентных флуктуаций скорости ветра и температуры среды, развивают существующие представления о тепловом самовоздействии и позволяют прогнозировать искажения лазерных пучков при их распространении в атмосфере. Полученные коштаественные оценки эффективности методов минимизации тепловых искажений могут быть использованы при проектировании лазерных систем повышенной мощности.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Применение процедуры расщепления в методе Фурье численного решения однородного параболического уравнения (приближение квазиоптики) позволяет увеличить быстродействие вычислительного алгоритма, снизить требования к оперативной памяти ЭВМ и тем самым расширить область применения метода при численном решении задач дифракции и распространения волн, включая стохастические нелинейные задачи атмосферной оптики.

2. Повышение мощности когерентного лазерного пучка непрерывного излучения, распространяющегося в турбулентной случайно-неоднородной среде, приводит сначала к ослаблению, а затем к усилению флуктуаций интенсивности. Мощностью, сверх которой начинается усиление флуктуаций, является критическая (оптимальная) мощность пучка, доставляющая максимальную среднюю интенсивность излучения в плоскость приема.

3. Метод фазового сопряжения опорной волны, реализованный в быстродействующей адаптивной системе (работающей в нестационарном режиме теплового самовоздействия), позволяет существенно снизить тепловые искажения пучка как в однородной, так и турбулентной случайно-неоднородной среде. При фокусировке пучков на вертикальной трассе достаточно эффективной является априорная (программная) фазовая коррекция по начальному распределению интенсивности в сечении пучка.

Выводы по Ш главе

Разработанная в I и П главах методика численного решения нелинейных задач теплового самовоздействия лазерных пучков в атмосфере была применена для исследования и оценки эффективности методов минимизации тепловых искажений - оптимальной и цилиндрической фокусировки пучка, априорной (программной) фазовой коррекции на вертикальных трассах, адаптивной коррекции по методу фазового сопряжения опорной волны.

Оптимизация параметра фокусировки даёт прирост максимальной интенсивности фокального пятна не более 50% на горизонтальных трассах - путём недофокусировки, то есть сдвига шейки пучка за фокальную плоскость, и не более 20$ на вертикальных трассах - путём перефокусировки пучка. Такого же порядка эффективность цилиндрической фокусировки пучка на горизонтальной трассе. Существенное обстоятельство - основной прирост интенсивности за счёт оптимальной фокусировки цроисхо-дит в закритической области мощности излучателя и не перекрывает прирост, получаемый за счёт оптимизации мощности.

На вертикальных трассах , из-за того, что параметр нелинейности быстро падает с высотой, очень эффективна программная фазовая коррекция пучка, позволяющая почти полностью устранить ветровое смещение и дефокусировку.

Наиболее универсальным способом устранения атмосферных искажений лазерных пучков является адаптивное управление фазовым распределением на излучающей апертуре. Оценка эффективности такого метода при подавлении тепловых искажений, получаемая в численных моделях, подвержена сильному влиянию "вычислительных" эффектов, сопровождающих моделирование отраженной волны. Предложенная модель "независимого" опорного источника позволяет контролировать эти эффекты. Проведенная оценка эффективности метода фазового сопряжения опорной волны даёт основание считать, что быстродействующая КОАТ-система, работающая по этому принципу, будет минимизировать тепловые искажения в диапазоне мощностей пучка, в несколько раз превышающем критический.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе получены следующие основные результаты:

1. Предложена процедура расщепления в методе Фурье численного решения однородного параболического уравнения (приближение квазиоптики), позволяющая увеличить быстродействие вычислительного алгоритма, снизить требования к оперативной памяти ЭВМ и тем самым расширить область применения метода при численном решении задач дифракции и распространения волн. На ее основе разработаны эффективные алгоритмы и вычислительные программы для исследования на ЭВМ методш математического моделирования динамических и статистических задач нелинейной волновой оптики атмосферы.

2. Исследовано стационарное тепловое самовоздействие лазерных пучков на вертикальных трассах с использованием среднеширот-ных сезонных моделей атмосферы. Проведена оценка тепловых искажений коллимированных и фокусированных пучков гауссова и кольцевого профилей. Получен качественно новый характер теплового расплывания фокусированного гауссова пучка на вертикальной трассе - перекачка энергии во вторичный максимум по мере увеличения мощности пучка.

3. Исследовано тепловое самовоздействие пучков на горизонтальных трассах с учетом влияния турбулентных флуктуаций скорости ветра и температуры среды. Количественно оценен эффект ослабления тепловых искажений при флуктуациях скорости ветра. Получен эффект ослабления, а затем усиления флуктуаций интенсивности в пучке непрерывного излучения при увеличении его мощности,

4. Количественно оценена эффективность оптимальной, цилиндрической фокусировки и программной фазовой коррекции пучков на горизонтальных и вертикальных (модельных) атмосферных трассах.

5. Поставлена и решена задача численного моделирования нестационарных адаптивных систем фазового сопряжения независимой опорной волны. Оценена эффективность таких КОАТ-систем при компенсации тепловых искажений когерентных пучков и влияние на нее турбулентных флуктуаций показателя преломления на трассе.

1. Зуев В.Е. Распространение лазерного излучения в атмосфере.- М. : Радио и связь, IS8I, 288 с.

2. Зуев В.Е., Копытин Ю.Д., Кузиковский А.В. Нелинейные оптические эффекты в аэрозолях.- Новосибирск: Наука, 1980,- 161 с.

3. Ахманов С.А., Сухоруков А.П., Хохлов.Р.В. Самофокусировка и дифракция света в нелинейной среде.- УФН, 1967, т. 93, с. 19-70.

4. Ахманов С.А., Воронцов М.А., Кандидов В.П., Сухоруков А.П., Чесноков С.С. Тепловое самовоздействие световых пучков и методы его компшсации.- Изв. вузов: Радиофизика, 1980,т. 23, № I, с. 1-37.

5. Гордин М.П., Соколов А.В., Стрелков Г.М. Распространение мощного лазерного излучения в атмосфере.- В кн.: Итоги науки и техники. Радиотехника.- Ы. : Изд-во ВИНИТИ, 1980,т. 20, с. 206-289.

6. Смит Д.К. Распространение мощного лазерного излучения. Тепловое искажение пучка.- ТИИЭР, 1977, т. 65, №12, с. 59-103.

7. Распространение лазерного пучка в атмосфере. /Под ред. Д. Стробена.- М.: Мир, 1981,- 416 с.

8. Ахманов С.А., Дьяков Ю.Е., Чиркин А.С. Введение в статистическую радиофизику и оптику.- М.; Наука, 1981,- 640 с.

9. Рытов С.М., Кравцов Ю.А., Татарский В.И. Введение в статистическую радиофизику. Часть П.- М.: Наука, 1978,- 464 с.

10. Гурвич А.С., Кон А.И., Миронов В.Л., Хмелевцов С.С. Лазерное излучение в турбулентной атмосфере.- М.: Наука, 1976,- 227 с.

11. Миронов В.JI. Распространение лазерного пучка в турбулентной атмосфере.- Новосибирск: Наука, 1981,- 246 с.

12. Прохоров A.M., Зункин Ф.В., Гочелашвили К.С., Шишов В.И. Распространение лазерного излучения в случайно-неоднородных средах,- УФН, 1974, ту 114, вып. 3, с. 415-456.

13. Исимару А. Распространение и рассеяние волн в случайно-неоднородных средах.- М.: Мир, 1981,- 316 с.

14. Воробьев В.В. Тепловое самовоздействие лазерных пучков на неоднородных атмосферных трассах.- Изв. ВУЗов: Физика, 1977, В II, с. 61-78.

15. Агровский E.G., Воробьев В.В., Гурвич A.G., Мякинин В.А. Тепловое самовоздействие лазерных пучков в турбулентной среде.- Изв. ВУЗов: Физика, 1983, № 2, с. 90-103.

16. Бакут П.А., Устинов Н.Д., Троицкий И.Н., Свиридов К.Н. Методы обработки световых полей при наблюдении объектов через турбулентную среду. Часть ГУ.- Зарубежная радиоэлектроника, 1977, 3, с. 55-86.

17. Харди Дя. Активная оптика: новая технология управления световым пучком.- ТИИЭР, 1979, т. 66, №6, с. 31-87.

18. Адаптивная оптика./Сборник статей.- М.: Мир, 1980,- 456 с.

19. Самарский А.А. Введение в теорию разностных схем.- М.: Наука, 1971,- 550 с.

20. Стренг Г., Фикс Да. Теория метода конечных элементов.- М.: Мир, 1977,- 349 с.

21. Калиткин Н.Н. Численные методы.- М.: Наука, 1978,- 512 с.

22. Самарский А.А., Николаев Е.С. Методы решения сеточных уравнений.- М.: Наука, 1978,- 590 с.

23. Марчук Г.И. Методы вычислительной математики.- М.: Наука, 1980,- 535 с.

24. Яненко Н.Н. Метод дробных шагов решения многомерных задач математической физики.- Новосибирск: Наука, 1967,- 216 с.

25. Карамзин Ю.Н., Цветкова И.Л. Спектральный метод решения нелинейных квазиоптических задач. Препринт ИПМ АН СССР, JS 5, 1979.

26. Рошаль А.С. Быстрое преобразование Фурье в вычислительной физике.- Изв. ВУЗов: Радиофизика, 1976, т. 19, В 10, с.1425-1450.

27. Вычислительные методы в электродинамике. /Под ред. Р.Митры. -М.: Мир, 1977,- 485 с.

28. Дышко А.Л. Разностный метод решения уравнения распространения светового пучка в нелинейной среде.- ЗЩФ, 1968, т. 8, № I, с. 238-242.

29. Луговой В.Н., Прохоров A.M. Теория распространения мощного лазерного излучения в нелинейной среде.- УФН, 1973, т. III, вып. 2, с. 203.30. J'Л.ГПтпк ^ 7"Cr^-^fu^ct

30. Ш Ош^/ОЫ : I-AffitoC Pfysux , i9H} vt iu,iZQ-160,

31. Дегтярев Л.М., Крылов В.В. Метод численного решения задач динамики волновых полей с особенностями.- ЖВМ и МФ, 1977, т. 17, № 6, с. I523-1530.

32. Годунов С.К., Рябенький B.C. Разностные схемы (Введение в теорию).- М.: Наука, 1977,- 440 с.

33. Воробьев В.В., Шеметов В.В. Численное исследование некоторых задач теплового самовоздействия лазерных пучков в атмосфере.- Препринт ИФА АН СССР,- М., 1978.

34. Кандидов В.П., Чесноков С.С., Выслоух В.А. Метод конечных элементов в задачах динамики.- М.: Изд-во МГУ, 1980,- 166с.

35. Чесноков С.С. Быстрое преобразование фурье в задачах теплового самовоздействия.- Вестн. Моск. ун-та, Сер. 3. Физика, Астрономия, 1980, т. 21, № 6, с. 27-31.

36. Гордин М.П., Садовников В.П., Стрелков Г.М. Тепловое самовоздействие лазерных пучков в атмосфере.- Препринт J£ 16 ИРЭ АН СССР,- М., 1981.

37. Коняев П.А., Лукин В.П. Тепловые искажения фокусированных лазерных пучков в атмосфере.- Изв. вузов: Физика, 1983, т. 26, 1Ь 2, с. 79-89.

38. Егоров К.Д., Кандидов В.П., Леденев В.И. Вариационно-разностная схема в задаче самовоздействия волновых пучков.- ЖВМ и ШФ, 1982, т. 22, J£ 2, с. 382-389.

39. Воробьев В.В., Шеметов В.В. 0 вынужденной конвекции в атмосфере при поглощении светового излучения.- Изв. АН СССР, Физика атмосферы и океана, 1975, т. II, с. 311.

40. Воробьев В.В., Муравьев Н.И., Сорокин Ю.Ы., Шеметов В.В. Тепловое самовоздействие кольцевых лазерных пучков в движущейся среде.- Квантовая электроника, 1977, т. 4, }£ II,с. 2330-2337.41. ttufl, /ъсшь ^/lA^&fer/r

41. Af^Mtt ^tco6j />/>. MM- MP?.

42. Карамзин 10.H., Сухоруков А.П., Сухорукова А.К., Чернега П.И. Теория подобия в нелинейных задачах дифракции волн.- ДАН СССР, 1977, т. 235, J&3, с. 564-567.

43. Егоров К.Д. Об интегральных характеристиках светового пуч- . ка при тепловом самовоздействии.- Изв. вузов: Радиофизика, 1980, т. 23, В I, с. 122-124.

44. Коган М.Н., Кучеров А.Н. Исследование теплового самовоздействия интенсивных пучков.в однородных газовых потоках.-Изв. вузов: Физика, 1981, т. 26, № 2, с. I04-II0.

45. Воробьев В.В. Уширение светового пучка в нелинейной среде со случайными неоднородностями показателя преломления.-Изв. вузов: Радиофизика, 1970, т. 13, В 7, с. 1053-1060.

46. Воробьев В.В. 0 средней интенсивности светового пучка в слабонеоднородной турбулентной атмосфере.- Изв. вузов: Радиофизика, 1971, т. 14, №6, с. 865-875.

47. Воробьев В.В. Влияние нагрева турбулентной атмосферы световым пучком на флуктуацию его интенсивности.- Квантовая электроника, 1972, й 7, с. 5-13.ttcUuun,. , 4974-, uT-/Z}16 4 Г- 16^0.

48. Воробьев В.В., Шеметов В.В. Тепловое самовоздействие светового пучка в среде со случайными неоднородностями показателя преломления.- Квантовая электроника, 1975, т. 2, $ 7,с. I428-I43I.

49. Воробьев В.В., Шеметов В.В. О неустойчивости светового пучка и его распаде при тепловом самовоздействии в движущейся среде.- Изв. вузов: Радиофизика, 1978, т. 21, J^ II, с. 161055.

50. Rejidt SiA-^yu R.&, ТлъеЫс в^

51. Беленький M.C., Землянов А. А. О влиянии тепловой нелинейности на пространственную когерентность лазерного пучка в случайно-неоднородной.среде.- Квантовая электроника, 1979, т. 6, В 4, с. 853-855.

52. Агровский Б.С., Воробьев В.В., рурвич А.С., Каллистратова М.А., Криндач Д.П., Мякинин В.А. Тепловое самовоздействие лазерного излучения в турбулентной среде.- Квантовая электроника, 1980, т. 7, й I, с. 59-65.

53. Кандидов В.П., Леденев В.И. Исследование теплового самовоздействия светового импульса в турбулентной среде методом статистических испытаний.- Квантовая электроника, 1981,т. 8, В 4, с. 873-877.

54. Егоров К.Д., Кандидов В.П., Лацучев А.С. Тепловое самовоздействие пучка цри флуктуациях скорости ветра.- В кн.: У1 Всесоюзный Симпозиум по распространению лазерного излучения в атмосфере. Тез. докл., Томск, 1981, ч. Ш, с. 203-206.

55. Гочелашвили К.С., Чашей И.В., Шишов В.И. Неустойчивость светового импульса в нелинейной инерционной рассеивающей среде.- Квантовая электроника, 1980, т. 7, J£ 10, с. 20772082. . .

56. Гочелашвили К.С., Чашей И.В., Шишов В.И. Неустойчивость светового пучка в движущейся турбулентной атмосфере.-Квантовая электроника, 1981, т. 8, № 7, с. I55I-I557.

57. Алешкевич В.А., Лебедев С.С., Матвеев А.Н. Самовоздействие некогерентного светового пучка.- Квантовая электроника, 1981, т. 8, Г& 5, с. 1090-1094.

58. Алешкевич В.А., Лебедев С.С., Матвеев А.Н. Преобразование пространственной статистики частично когерентного светового пучка в нелинейной среде.- ЖЭТФ, 1982, т. 83, Л 4,с. I249-1255.

59. Егоров К.Д., Кандидов В.II., Чесноков С.С. Численное исследование распространения интенсивного лазерного излучения в атмосфере,- Изв. вузов: Физика, 1983, т. 26, У? 2, с. 66-78.70' WaMacJL jf.} 7Г; f. Тълци&сим