1.2  研究气动光学的目的

气动光学信息的第一个使用者是流体力学的专家，在他们利用伴随着密度变化的折射率场时。例如，条纹和投影系统提供了一个定量测量流体相差和造成其的流体的方法。另一方面，干涉测量技术能很准确地测量光束穿过流体的光程。在实际中，通常用干涉法测量通过孔径的光程差。

气动光学的流场通常和穿过湍流剪切层和边界层的传播有关。例如带有光学探头的导弹，空载的望远镜，空载自由空间交流系统和空载激光武器系统，都必须穿过可压缩的自由剪切层或者边界层。这些结果也影响了地基大气系统。在这种情况下，观察孔径处的风感应剪切和边界层会降低系统的性能。在所有这些情况下，气动光学相差表现为系统性能的降低。我们用Strehl系数，SR来衡量系统的性能：

                                                         （1）

这里I（t）是异常系统的远场图样上最大光照度， 是没有相差的光学系统的最大光照度，就是所谓的轴上衍射极限照度。根据大孔径近似，对于给定的时间平均光学相位方差 ，时间平均SR的平均为[5]：

                                                       （2）

相位方差本质上是归一化的光程差方差：

                                                   （3）

 是光束的波长。到20世纪80年代，人们尝试估计降低的方均根和设计一个能承受这些损失的系统[6]。

1.3  远场光学传播的波长依赖性

讨论的重点是如何衡量光学相差，然而远场的照度也随着传播光束波长的变化而改变。自由相差系统仍收到由自然光波汇聚的数量的限制。最小的可实现的焦点称为衍射极限点。这个点的照度可以由物理光学方法给出解析式[4]：

                                                     （4）

对于圆孔， 是一阶贝塞尔函数，r是到光束中心的相对距离。点的尺寸由 的中心斑给出，即所谓的“爱里斑”。对于这样一个自由相差系统的照度，只有84%的离开出射孔径的光子在光束传到目标后留在爱里斑中。给出中心斑的最大照度[7]：

                                               （5）

P是激光的出射功率，Y是传播距离（例如光学系统的焦距），d是孔径直径。（5）式表明对于无相差的光束，最大照度随波长的减小而增加，如图2所示，最高峰值是在波长为1um的无量纲的值。随着波长 减小增大的 促进了激光在可见光波段的使用。

对于有相差光束，轴上照度的趋势是相反的。由式（3）代入（2）可以得到：

考虑一个给定的流场（例如连续的 ），在波长10.6um（红外）波段， 为95%。 随流场波长变化如图3所示。图3表明，一个给出的流场表现出的气动光学问题是激光器波长的强函数。因此原本不是很重要的一个相差（ 对于 激光器）对于短波长激光器可能变成一个大问题（例如对于化学氧碘激光器COIL， ）。

如图2所展示的，现在的趋势是使用可见光激光系统。的确，美国空军的空载激光武器系统（ABL）将使用COIL作为高能激光器[8]。因此气动光学问题不容忽视。