书!第"#卷!第$期强激光与粒子束%&’("#，)&($!!*++,年$月-./-01234567346)80649.:53;36<7<=>(，*++,!文章编号：!"++"?@$**（*++,）+$?+$#"?+$吹气抑制气体热效应时管道结构对光传输的影响!柳!建"，!王世庆"，!金!钢*，$，!李树民*，!刘顺发$（"!成都理工大学工程技术学院，四川乐山A"@++,；!*!中国空气动力研究与发展中心，四川绵阳A*"+++；$!中国科学院光电技术研究所，成都A"+*+#）!!摘!要：!采用吹气抑制气体热效应对光传输的影响时，管道结构会对内通道流场分布产生作用从而影响光传输质量。对比研究了沿几何尺寸相同、光路总长相等的B形和C形管道轴向吹气的情形。仿真过程中，联合求解标量衍射方程和)?7方程，计算管道对吹气流场的影响以及流场对光束的影响，以远场光斑的峰值功率密度点、能量分布重心点位置的偏移以及7D>EF’比和!值的变化反映光束质量。结果表明：不吹气时，管道结构对流场的影响远小于气体吸热对流场的影响；吹气时，管道内气体流速较大，管道结构对流场分布的影响比较明显；吹气时，B形管道对光束的影响比C形管道对光束的影响要小。!!关键词：!光传输；!吹气；!管道结构；!标量衍射；!)?7方程；!仿真!!中图分类号：!9)+"*；!1@$A；!1$G"；!1*@"!!!!文献标识码：!6!!高能光束在气体中传输时，会受到非均匀流场的影响。导致流场不均匀的原因有两个：一是光路上的水气、:1*等组分吸收光能导致流场被加热［"?@］；二是流场本身速度、压力等参量分布不均匀［G?A］。对于光束在管道中传输的情形，采用吹入对光能无吸收的气体能有效抑制加热引起的流场非均匀性。改变吹气方式和管道结构来控制流场的速度、压力分布，能使流场保持均匀。本文针对通过优化管道结构来改善流场本身对光束影响，采用均匀吹气方式，对中轴线总长相等的B形和C形两种管道结构进行了仿真研究。"#模型方程!!求解流场对光束的影响的一般方法是联合求解光传输方程和流体运动方程。对于一般气体介质，可以认为是各向同性的，其中的光传输可以用缓变振幅近似的标量衍射方程处理［@，,］*H!"""#$#*$"$!*（%*%*+&"）"’+（"）式中："为光波振幅，复电场(I"EJK（H!#）；#为沿光束传播方向的传输距离；!I*!L"为真空波数，"为波长；%和%+分别是有无扰动时的介质折射率。!!流场用完全)?7方程组处理，在直角坐标下的无量纲守恒形式为［M］")"*$"("+$","-$"."#’"(N"+$",N"-$".N"#$/（*）式中：)为守恒向量；(，,，.分别表示直角坐标系中+，-，#方向的流通向量；(N，,N，.N为粘性项；/I/EO/N为源项，/NI#0，/EI$15O20，#为气体密度，0为重力加速度，15为光强，$为气体对激光能量的吸收系数。!!联解方程（"），（*），分三步进行［G］："计算气体对光能的空间吸收，通过式（*）得气体密度的空间分布；#由气体密度与折射率的关系得到光路上介质折射率分布；$把折射率分布代入式（"）得到光场空间分布。流场对光束的影响，采用峰值功率密度点（+P，-P）的偏移量%+P，%-P；光斑重心点（+F-，-F-）的偏移量%+F-，%-F-；峰值功率密度1Q=J的7D>EF’比；以重心为中心的光斑A$R环围能量面积/比值的平方根!来衡量。$#仿真条件和结果!!采用上述模型对两端开口的B形和C形管道（图"）进行仿真，两种管道中轴线长度一致，除弯折方向不同以外，其它条件都相同。假定流场影响只限定在管道内部，管道外自由空间折射率为%I"(+。入射高斯光束平行于#轴，并以管道中心成轴对称分布，初始幅值(’(+EJK（&3*4*5*），光束特征半径5I+(+A+Q，波长"I"+(A&Q，(+I6L（!5*），6I*<2。!收稿日期：*++A?+A?*"；!!修订日期：*++A?""?"M基金项目：国防科技基础研究基金资助课题作者简介：柳!建（"#,G—），男，博士，从事激光传输与变换、激光光束控制理论和技术研究；EQ=H’&S’HTUH=VW"*A(P&Q。书!"#$%&’()*+,，-()*+,./0+,.12342.#.)"/#2.)5：6,/)3.78,6)"4/4/!(0"3,6)"4/图%&’形和-形管道及光束传输路径示意图（!方向为中心截面）&&吹气方式为均匀吹气，入流平行于"轴，管道内壁为粘性绝热固壁，出口边界采用局部单向化条件，且满足以下假设［9］：不吹气时，管道气压为:$%;<.，!=>$9?%:@91@%；吹气时，!=:；声速为%#$，入流气体温...
