基于等离子体-光场耦合模型计算激光在水云系统中传播距离的方法

1.本发明属于激光等离子体技术领域，具体涉及一种基于等离子体-光场耦合模型计算激光在水云系统中传播距离的方法。


背景技术：

2.近二十年以来，激光在水云系统中的传播一直受到广泛关注。一方面，水云的存在可以避免太阳光对于地球的直接照射，有利于生态环境的演化和发展；另一方面，水云的存在会干扰大气遥感测量，卫星定位以及雷达探测，远程光谱测量等技术的稳定性与精确性。最近，自由空间光通信(free-space optical communication)以及激光诱导空气中的水凝结技术(laser-induced water condensation in air)的发展也促进人们对激光与水云之间相互作用的进一步研究。
3.传统的研究通常集中于两方面：(1)激光光学成丝在大气以及水云中的传播。(2)较低能量阈值的激光在水云中传播。后者又可以分为两大类：水云对可见波段至近红外波段以及对红外波段激光传播过程的影响。然而，对于可见波段或近红外波段激光在水云中传播所受到的影响，尽管其本质与红外波段类似，都是激光与液滴之间的相互作用的一种微观体现，但是理论研究仍相对缺乏。实验上，由于激光能量无法精准控制在介质的击穿阈值以下，导致成丝的生成，也限制了对低能量阈值下的激光在水云中的传播距离的测量。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种基于等离子体-光场耦合模型计算激光在水云系统中传播距离的方法，以得到激光在不同水云体系中的传播距离。
5.实现本发明目的的技术解决方案为：第一方面，本发明提供一种基于等离子体-光场耦合模型计算激光在水云系统中传播距离的方法，包括以下步骤：
6.计算不同水云系统不同尺寸下的液滴数密度；
7.计算液滴中产生的等离子体的电子密度分布；
8.计算液滴对光场的反馈以及光学性质的变化；
9.计算液滴对不同激光强度下的非线性吸收率；
10.计算激光在不同大气水云系统中的传播距离。
11.第二方面，本发明提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现第一方面所述的方法的步骤。
12.第三方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现第一方面所述的方法的步骤。
13.第四方面，本发明提供一种计算机程序产品，包括计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现第一方面所述的方法的步骤。
14.与现有技术相比，本发明的有益效果为：(1)本发明合理考虑了不同水云体系中的液滴分布与液滴尺寸的关系，合理的将每种不同水云体系分离开，对至少三种水云体系中激光传播距离进行了计算；(2)本发明考虑了在激光传播过程中电子密度的增长以及液滴簇对于激光光场的反馈作用，合理的考虑了水云体系对于激光的吸收作用；(3)本发明通过对不同参数条件下的液滴吸收系数的计算，获得了每种水云体系对于激光的非线性吸收，计算了等离子体对于激光的衰减；(4)本发明对至少三种水云体系下的激光传播距离进行了计算，由于其对水云体系的适用性，可以推导出四种甚至是更多水云体系对于激光的衰减，以及激光传播距离的计算。
附图说明
15.为了更清楚的说明本发明的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简要的介绍，当然，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前体下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
16.图1本发明实施例的基于等离子体-光场耦合模型计算激光在水云系统中传播距离的方法框图。
17.图2本发明实施例的激光与液滴相互作用后液滴中自由电子密度分布。
18.图3本发明实施例的液滴以及等离子体对于光场的反馈作用。
19.图4本发明实施例的等离子体对于激光的吸收系数的变化。
20.图5本发明实施例的激光在不同水云体系中的传播距离。
具体实施方式
21.如图1所示，本发明提出一种基于等离子体-光场耦合模型计算激光在水云系统中传播距离的方法，所述方法包括以下步骤：
22.q1：计算不同水云系统不同尺寸下的液滴数密度；
23.q2：计算液滴中产生的等离子体的电子密度分布；
24.q3：计算液滴对光场的反馈以及光学性质的变化；
25.q4：计算液滴对不同激光强度下的非线性吸收率；
26.q5：计算激光在不同大气水云系统中的传播距离。
27.下面对每一步具体过程进行详细展开：
28.第一步，计算不同水云体系下不同尺寸的液滴数密度，依赖于方程：
[0029][0030]
其中，n表示总的数密度，a表示不同水云系统中的归一化常数，r0代表液滴建模所用半径，r0≤10μm，r0在计算过程中看成随水云体系变化的常数值，取值为：5μm，6μm，8μm，10μm。α和γ描述的是液滴尺寸分布的斜率，本实施例中取定值，分别为4，2.34。通常，对于不同尺寸下的液滴，分布也各不相同，无论对于何种水云体系，其对激光的吸收在初始时也相对较小，直至等离子体产生，电子密度接近或达到阈值(～10
21
cm-3
)以上，液滴对于后续激光的吸收开始增加，透射减小，最终对激光形成完全屏蔽。此外，为了获得相对精确的结果，
后续通常选取每种体系中最大分布密度的液滴尺寸进行计算；
[0031]
第二步，计算液滴中产生的等离子体的电子密度分布的主要计算公式为：
[0032][0033]
其中，右边前两项表示多光子电离以及雪崩电离引起的电子数目的增殖，后面两项表示电子在增殖过程中由于复合以及扩散效应造成的损耗。βk是k阶多光子吸收截面，，ω，i，分别表示约化普朗克常量、激光频率、激光强度，d，ρ
t
，g，v
p
，为电位移矢量、中性分子数密度、复合系数、未受扰动下的水的有效电离势，此外，σa为雪崩电离的电离截面，表示为：
[0034][0035]
上式中，τc为电子碰撞时间参数，默认为1fs,c，m，ε0，n0表示真空中光速，电子质量，真空介电常数，以及未受扰动下水的折射率。τ，e分别为脉冲宽度以及单个电子所带电荷。
[0036]
第三步，计算液滴对光场的反馈以及光学性质的变化；
[0037]
基本方法为：
[0038][0039]
上式中，ε
rl
，μ0，j表示线性真空介电常数，同上ε0，真空磁导率，自由电流密度；e为电场振幅，p
nl
为非线性极化，表达式为：
[0040]
p
nl
＝2n0n2ε0ie icn0e(βki
k-1
σcρ)ω-1
[0041]
其中，n2为非线性光克尔系数；ρ为演化过程中自由电子数密度。
[0042]
液滴光学性质的改变：
[0043][0044]
其中，σc是一个复数表达式：
[0045][0046]
通过联立上述方程以及comsol的数值模拟可以得到激光与液滴相互作用过程中的产生的电子密度分布，以及等离子体对于光场的反馈作用，对于给定的激光强度i，可以得到液滴在不同参数下的吸收系数变化。
[0047]
第四步，计算液滴对不同激光强度下的非线性吸收率；
[0048]
不同参数下对应的等离子体吸收系数的变化：
[0049][0050]
上式中的nr代表等离子体对介质的折射率的影响，ni为等离子体的消光系数。对于近红外波段，水介质对于激光的反应主要是散射，吸收系数几乎不考虑，然而在高功率激光强度下，电子密度的剧烈增殖，进一步使得散射系数很小，消光系数(吸收 散射)占据主导
地位。
[0051]
吸收系数的计算方法为：
[0052][0053]
得到等离子体对于激光能量的吸收系数：
[0054][0055]
通过对上式的联立，在给定波长的条件下，得出液滴对于不同激光强度的吸收系数的变化，以及给定激光强度入射时，液滴对能量吸收随时间的变化关系。
[0056]
第五步，对激光在不同大气水云系统中的传播距离进行计算；
[0057]
相关计算公式为：
[0058][0059]
上式中，l为光束长度，r为激光初始半径，r，n分别为液滴半径以及半径为r时的液滴数密度，α为不同激光强度对应下的吸收系数，τ
p
为激光脉冲宽度。
[0060]
通过结合上述步骤(1、2、3、4、5)中的方程，可以得到激光在不同水云系统中的传播距离，以及在给定脉宽τ
p
条件下，传播距离随时间t的衰减关系。
[0061]
为了使本技术领域的人员更好的理解本技术中的技术方案，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。
[0062]
参见表1，本实施例中给出了三种常见的水云体系的液滴分布，分别是海洋层云、大陆积云、海洋积云以及常见的水雾。在此实施例中我们并没有给出传统的范围值，因为那并不利于后续的计算，因此我们给出每种水云体系中的平均半径r以及数密度n。
[0063]
表1不同水云体系中的不同液滴尺寸的数密度
[0064][0065]
参见图2，给出了波长λ＝1064nm，强度为5.1tw/cm2的激光与液滴相互作用过程中电子密度的分布，由于液滴存在的类透镜作用，激光通常被聚焦在液滴右侧，强度甚至高达激光源强度的100倍。此时光场分布如图3，液滴内部的光场除聚焦区域外，其余分布都较为均匀，因为衍射以及色散都没有明显的改变。而聚焦区域处，由于其光学性质的改变，液滴以及聚焦区域对于激光的非线性吸收逐渐增加，透过液滴传播的激光无论是能量还是场振幅都开始衰减。整个液滴聚焦区域产生的等离子体对于激光的吸收系数的变化如图4所示。激光作用初始阶段，电子密度增加，此时吸收开始增大，直至电子密度达到临界阈值，聚焦
区域的等离子体对激光开始形成屏蔽，吸收系数开始稳定，直至最后衰减。
[0066]
参见图5，本发明最终结合上述五个步骤，忽略液滴对于激光传播过程中的色散，考虑非线性吸收对于激光的影响，结合q5中的方程式，得到了激光在不用水云体系中的传播距离。其中，图5中还表明了对于不同的脉宽，激光传播距离也不同，通常对于长脉宽激光而言，峰值功率更低，在水云体系中传播的距离也越长。
[0067]
单论水雾的结果而言，与近期《nature photonics》上的实验数值接近，且误差小于5％。
[0068]
以上所述的实施例，仅仅为本发明申请的具体实施方式，用以说明本发明申请的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。