激光大气湍流效应模拟的研究与进展

　　大气湍流理论的逐步完善，使大气湍流的研究有了很大发展。模拟大气湍流的方式主要分为以下几种：强迫运动法、相位屏法、几何光学法和空间光调制器法。

　　1、用水或酒精作为介质的湍流池

　　早期实验室研究大气湍流模拟的方法通常是采用加热湍流介质(如水和酒精)来构造湍流模拟池。加拿大的Bissonnette在1977年提出了以水为介质的湍流池，整个装置结构如图1所示。当池体上下部温差为1℃时，池中流体的运动容易达到湍流状态，但模拟的湍流惯性区很窄，仅2cm，不过基于当时的研究基础，实验结果与理论结果还是比较吻合的。

　　安徽光学精密机械研究所以此装置为基础，研制出以去离子水为介质的湍流模拟池，利用二次加热和制冷技术，解决了湍流惯性区较窄的问题。

　　2、用空气作为介质的湍流箱

　　空气折射率随温度的变化太过缓慢，水或酒精的折射率变化能比气体大两个数量级。美国科罗拉多大学基于冷热空气混合的湍流箱展现出其独特的优势，该装置的结构示意图如图2所示。

　　湍流箱的风速是通过改变湍流腔的进口压力或者冷热空气喷射口的大小来控制的，并加入了恒温控制的烤箱用于控制热空气的温度。该湍流箱模拟出的湍流形式更加接近于真实的大气湍流效应，甚至可以模拟比大气湍流强1000倍的湍流扰动，还能保持各向同性均匀的特性，对闪烁系数进行测试并与实际的大气测试比较。另外，能独立控制折射率结构常数Cn2和湍流的Z小内尺度I0也是这款湍流模拟装置的另一大突出特点。

　　中科院光电技术研究所的热风式大气湍流模拟装置以空气为介质，可以保证热气流的均匀性和横向风的方向，是国内湍流模拟装置研究中的早期代表。

　　3、几何光学方法模拟大气湍流

　　在湍流研究领域，利用几何光学方法模拟大气湍流的研究较为少见，但也不失为一种不错的方法。沿着光束的传播路径，将大气模拟为空间分布的球形气泡，不同模型中每个气泡代表的大小和折射率是服从统计分布的。利用几何光学，对大气统计中每个单一光线或者一束光线进行分析，这属于蒙特卡罗数值模拟方法，可以基于此评估光束漂移、光束发散和相位转变等各项指标。

　　4、相位屏模拟大气湍流

　　大气湍流对激光束传输的影响实质上是传输光束波前相位随机起伏造成的。如果经一定距离传输后，激光光束的相位变化足够小，则大气湍流影响可以等效为随机相位屏(需满足湍流统计理论)的影响和光束真空传播影响的叠加。

　　因此，连续的湍流随机介质可以分割成一系列厚度为Δz的平行平板，各平板产生随机的相位调制，而相邻平板间的光束传播则为真空传播。经多个平行平板调制后的光波能够模拟出激光传输的湍流效应。

　　5、液晶器件模拟大气湍流

　　国外已经广泛展开了液晶在光位相调制和波前校正方面的研究。1979年，前苏联科学院的Vasil等人研究了液晶空间光调制器的位相调制特性，并于1983年详细报道了液晶空间光调制器的应用前景。

　　国内关于液晶在这方面应用的研究起步较晚，长春光机所研制出平行排列TFI’型的二维阵列液晶湍流模拟器，利用美国Zygo公司的菲索型GP11000干涉仪进行Zernike多项式面形的产生实验嘲，得到了较好的实验模拟结果。

　　美国海军研究室的遥感部门[铡用液晶空间光调制器建立了基于自适应光学系统的大气湍流模拟平台。该平台对比研究了样条函数法、K-L多项式法和湍流冻结法在动态模拟大气湍流方面的不同特点，完成了自适应光学系统的开环、闭环测试，实现了非Kolmogorov湍流的模拟研究。

　　从大气湍流模拟研究的发展趋势来看，液晶湍流模拟器不仅具有高精度和可控性强的特点，还能实现多种湍流模型的动静态模拟。这些优势使其逐步取代了以水或空气为介质的传统湍流模拟，成为湍流模拟研究的新热点。