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光致大气等离子体特性研究

摘要

摘要

随着激光技术的发展，人们可以得到脉宽越来越短、功率越来越强的激光脉冲，由于这些强激光在军事、民用等方面的巨大的潜力，它吸引了许多研究者的注目。强激光脉冲的大气传输是强激光脉冲的众多应用所面临的一个共同问题：当强激光脉冲在大气中传输时，由于强激光脉冲和大气的强烈的非线性物理效应，会轻易地引起空气的电离，从而形成光致大气等离子体，这是一个激光能量衰减的过程；而同时，在一定的条件下等离子体对电磁波的传播有阻断效应；正是这些物理现象的存在，在一定程度上阻碍了强激光脉冲远距离传输，使得强激光脉冲只能传输几个瑞利长度，然而在实际的应用中，人们总期望把强激光脉冲传输到比较远的地方。本文就是针对强激光脉冲的大气传输问题，着重从数值计算的角度研究了长脉冲的大气击穿阈值问题，以及从理论和数值计算的角度研究了强激光脉冲在大气中的远距离传输问题，特别是非线性物理效应比较少的长紫外激光脉冲的大气远距离传输问题。主要的内容包括：1、研究了在强激光的作用下，包括光电离和碰撞电离在内的各种气体电离的机制，特别是多光子电离，在气体电离的基础上，然后介绍了气体击穿模型，并针对强激光脉冲的大气传输问题，数值计算了长脉冲激光的大气击穿阈值，并在阈值的数值计算中考虑了激光脉宽、气体压气、初始电子等因数对击穿阈值的影响。2、针对强激光脉冲在大气中传输所产生的光致等离子体，我们研究了该等离子体与电磁波的相互作用，特别是它对电磁波的吸收，并数值计算了常用微波雷达频段的电磁波经大气等离子体时的衰减。3、在充分考虑强激光大气传输的非线性物理效应的基础上，推导了强激光脉冲的大气传输方程；并从该方程出发，采用Schwarz等人的电子平稳态理论，研究了纳秒量级的紫外激光脉冲在大气中的传输，并对该理论所用parabolicaberrationlessapproximation近似方法而产生的自聚焦临界强度与自聚焦理论不符的问题，在改用最小平方差近似minimizingthemeansquareerrorapproximation后，问题得到了比较好的解决。另外，强激光脉冲大气传输所涉及的一些非线性物理

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子科技大学硕士学位论文过程，诸如：自聚焦、自散焦、拉曼散射对非线性折射率的影响等，我们也进行了讨论。

关键词：强激光大气传输大气击穿阈值光致大气等离子体

II

ABSTRACT

Abstract

Withthedevelopmentoflasertechnology，mankindcanattainthelaserpulseswhicharemuchshorterandmoreandmorepowerful.Asthelasertechnologyisfullofpotentialityinmilitaryandcivilfields,itattractsmanyresearchers.Thetransmissionofthehighpowerandshortwidthlaserpulseintheatmosphereisoneofthecommonproblemswhichresearchersshouldfaceintheapplicationofit.Itmaybringaboutmuchnonlineareffectwhenhighpowerandshortwidthlaserpulseisbeingtransmittedintheatmosphere.Theairplasmawillformwhenairisionizedandenoughelectronsareproduced.Thisprocesswillcausethelossoflaserenergy.Atthesametimetheairplasmawillblocktheenergytransmissionofelectromagneticwaveincertainconditions.Allthesefactorsmakethetransmissionofhighpowerlaserverydifficult,andthelasercanonlygoseveralRayleighlengths.However,mankindissupposedtotransmitthehighpowerlaserpulsetoalongdistanceinthepracticaluse.Thisthesisaimsatthetransmissionofhighpowerlaserpulseintheatmosphere,andemphasizesonthethresholdofairbreakdownfromtheaspectofnumericalco