[发明专利]一种用于光丝激光长距离传输仿真的方法、介质及设备

说明书

一种用于光丝激光长距离传输仿真的方法、介质及设备，属于强场激光物理技术领域。本发明利用强飞秒激光在大气中传输会产生的多种线性效应和非线性效应，建立(3D+1)维非线性薛定谔方程，对光丝激光远程传输过程进行非线性传输动力学描述，通过数值求解非线性薛定谔方程和电子密度的耦合方程，实现对光丝激光传输过程中传输距离、超连续光谱、电子密度等参量的仿真。

技术领域

本发明涉及强场激光物理技术领域，特别是一种适用于复杂大气环境条件下的光丝激光长距离传输过程的仿真方法、介质及设备。

背景技术

天基光丝激光遥感探测为气象科学和大气化学领域提供了一种全新探测手段，这种探测技术的先进优势在于对大气各谱段组分在全球范围内进行持续、宽谱段的探测，相比于地基系统，天基光丝激光遥感探测在稀薄大气对光丝和信号产生的畸变与损耗小，同时避免了大气使高能量光束产生多光丝现象。天基光丝激光遥感技术不仅兼备现有激光雷达技术的优点，能对大气中污染物进行大范围和垂直距离的连续、实时快速监测；而且可以在没有云层和颗粒物(雾霾)先验知识的情况下利用宽光谱散射信号获取云层及颗粒物的分布和密度情况。这一能力可以更好的服务于广阔地理区域内实时监控大气污染分布和演变，有利于分析大气污染成因和来源。

特别是对于航天领域的天基应用，光丝激光需要传输的距离长达百公里量级，在目前尚未实现光丝激光雷达在轨应用或示范验证的情况下，需要对光丝激光的超长距离传输情况进行仿真分析，为后续系统论证与设计提供必要输入。

光丝激光在空间超长距离传输过程中受到大气环境条件的显著影响，主要受到大气气体成分含量和密度的影响，国际上，欧空局(ESA)于2014年至2016年，支持先进概念研究团队(Advanced Concept Team)开展了光丝激光从空间卫星轨道向大气层传输的仿真研究[LaserPhotonics Reviews,2016,Vol:10(3):481-493]。结合脉冲传输包络方程和气体成分含量的数值模型，开展了在轨光丝激光成型和超连续产生的数值仿真，在10km附近达到非线性克尔自聚焦效应和产生的等离子体的散焦作用的动态平衡，产生了稳定的光丝激光。通过上述仿真模拟得到了光丝激光在分层大气传播过程中展示了较好的稳定性且产生了宽谱段的光谱，通过选取适当的脉冲能量强度和轨道高度可以实现光丝激光达到目标大气区域[“Spaceborne laser filamentation:A new remote sensing tool foratmospheric spectroscopy？”,EARTH OBSERVATION SYMPOSIUM,IAF 2015]。但是该工作是基于非常理想的仿真分析条件，对天基环境与系统任务的要求考虑较少。

长春理工大学提出了一种复杂环境下激光传输仿真模拟与综合测试系统，构建多种信道环境下激光传输特性的模拟仿真与测试系统，将激光在多种信道中传输特性模拟、仿真和测试系统进行综合集成，加快激光类高技术装备工程化应用的进程[CN201410320099.3]；西南交通大学提出了一种激光非线性传输并行仿真方法，基于分步傅里叶方法，显著提高了强激光非线性传输的仿真速度[CN201410620686.4]；江苏大学开发了拉盖尔高斯涡旋飞秒激光在透明介质中传输的仿真方法，可以求解拉盖尔高斯涡旋飞秒激光在透明介质中非线性传输的问题，也就是飞秒涡旋激光与透明介质相互作用的问题[CN201610811919.8]。上述工作均是对不同介质中光丝激光传输规律进行仿真，是在较短距离内进行的机理研究，没有考虑到现实长距离传输时的复杂环境影响。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种用于光丝激光长距离传输仿真的方法、介质及设备，利用强飞秒激光在大气中传输会产生的多种线性效应和非线性效应，建立(3D+1)维非线性薛定谔方程，对光丝激光远程传输过程进行非线性传输动力学描述，通过数值求解非线性薛定谔方程和电子密度的耦合方程，实现对光丝激光传输过程中传输距离、超连续光谱、电子密度等参量的仿真。

本发明的技术解决方案是：一种用于光丝激光长距离传输仿真的方法，包括如下步骤：