特殊关联阵列扭曲光束在大气湍流中的光强闪烁

相干和相位是光波的基本特性,它们之间是相互影 响的。本文首先基于部分相干光束的模式分解理论,严格证明了谢尔模高斯阵列关联结构可 以携带扭曲相位,并提出了一种特殊关联阵列扭曲光束,且本文所用证明方法具有一定的普 适性。随后,针对光束在大气湍流传输中引起的光强闪烁,采用张量方法推导了特殊关联阵 列扭曲光束在大气湍流中的光强闪烁解析式,详细分析了光源各参数对光强闪烁指数的影响 ,研究表明增大光源的束腰宽度、增大扭曲因子、调控谢尔模高斯阵列关联结构可降低大气 湍流引起的光强闪烁。本文得到了一种有效抑制大气湍流光强闪烁的严格物理数学光束模型 ,研究结论有助于优化部分相干光束在大气湍流传输的整体性能,在自由空间光通讯、激光 雷达、遥感成像等领域具有潜在的应用价值。     

近地面湍流大气中激光传输的光强闪烁分析

光学湍流对激光的大气传榆有着重要的影响,其中光强闪烁是湍流效应中最基本也是最重要的一个效应,一直是一个十分令人关注的问题.在处理激光在湍流大气中传输的光强闪烁效应时,认为光强闪烁是由大尺度光强起伏对小尺度光强起伏的调制,并对其调制过程进行了讨论.基于光强闪烁的调制理论,对近地面典型条件下激光大气传输的光强闪烁指数及其影响因素进行了分析.     

部分相干光在湍流大气中传输的研究进展

简要回顾了部分相干光在湍流大气中传输的主要研究方法,包括广义惠更斯-菲涅尔原理、交叉谱密度函数、相干模态分解,光束有效参数和ABCD矩阵等理论解析法,以及随机相屏近似、相干模态重构和随机光脉冲等数值模拟方法;介绍了几种典型的部分相干光的定义及其真空传输衍射性质,从光束扩展、光强起伏和到达角起伏三方面介绍了部分相干光在湍流大气中传输特性的研究状况和主要研究成果;提出了应进一步深入研究的问题.     

非Kolmogorov大气湍流对高斯阵列光束光强闪烁的影响

基于广义惠更斯-菲涅尔原理,采用Rytov方法推导了径向分布高斯阵列光束在非Kolmogorov湍流大气中传输时的光强闪烁指数表达式,分析了径向半径r0、光束个数N、广义指数及传输距离L对轴上和离轴闪烁指数的影响。结果表明:轴上和离轴闪烁指数随着的增加均先增大后减小,值得注意的是不同的r0光束的闪烁指数达到极大值所对应的略有不同,轴上闪烁指数随着r0的增大达到极大值所对应的呈减小趋势,而离轴闪烁指数随着r0的增大达到极大值所对应的呈增大趋势;光轴附近各阵列光束的闪烁指数小于高斯光束的闪烁指数,随着px的增大阵列光束闪烁指数将大于高斯光束闪烁指数。当r0相同时N越大闪烁指数越小,当N相同时闪烁指数随r0的增大非单调变化,而是存在一个极小值。     

径向阵列光束大气湍流中的强度起伏

光闪烁是大气湍流效应造成的重要影响之一。采用多光束阵列发射,推导激光束在大气湍流介质中的轴上光强和光强起伏,即闪烁指数。分析了阵列参数对轴上光强的影响,包括阵列径向半径和子光束数目等。详细讨论了阵列子光束数目对闪烁指数在近距离和远距离传输的影响。结果表明,当传输距离较远时,多光束传输的闪烁指数反而低于单光束传输,这对于空间激光通信来说有一种补偿作用。     

湍流大气中部分相干空心聚焦束的光强分布

基于广义惠更斯-菲涅耳原理和相位结构函数的平方近似,研究了湍流大气中聚焦部分相于空心光束传输特性,用张量积分的方法导出了接收面上平均光强分布的解析表达式。研究结果表明：对于给定的传输距离,焦面上的光强分布均为高斯分布。高斯分布的峰值和腰宽与空心光束的初始相干长度、焦距的长度以及大气湍流起伏强度和湍流外尺度密切相关,而且在强湍流情况下,湍流外尺度严重影响峰值强度。     

大气湍流中受限高斯光束的轴向光强分布

利用扩展Huygens-Fresnel原理分析了大气湍流中圆形孔径限制下高斯光束的传播特性,得到了轴上平均光强的解析表达式,运用数值模拟方法计算了不同湍流强度、孔径大小和波长下的轴上平均光强.结果表明,轴上平均光强在近场发生振荡,其振荡幅度随湍流强度增强和发射孔径的增大而降低,振荡的周期随传播距离的增大而增加;在远场随传播距离的增大,振荡逐渐消失,平均光强平滑下降,最后一个平均光强极大值的位置与湍流强度和波长成反比,与发射孔径成正比.     

截断光束在湍流中传输的光束质量

基于广义惠更斯-菲涅耳原理,推导出截断光束在湍流中的束宽解析表达式,并近似求解了湍流距离的表达式。利用光束束宽及湍流距离,研究了湍流对截断光束的光束质量的影响。研究发现截断光束在湍流中的扩展随传输距离的增大而增大。此外,湍流距离zT随截断参数啄和相干参数琢的增大而减小,即啄和琢越大,湍流对光束扩展的影响则越大,光束质量越差。本文对主要结果给出了相应的物理解释。     

空心高斯涡旋光束在各向异性non-Kolmogorov大气湍流的光强分布

为了分析大气湍流对空心涡旋光束传输光强的影响,基于广义惠更斯-菲涅尔原理和Rytov相位结构函数近似,利用各向异性大气non-Kolmogorov湍流谱模型,推导出空心高斯涡旋(HGV)光束在各向异性大气湍流中的传输光强解析式,数值模拟分析了传输距离、湍流参数和光束参数对光强分布的影响.研究结果表明:随着传输距离增大,...     

部分相干异常涡旋光束在大气湍流中的传输特性

研究了部分相干异常涡旋光束在湍流大气中传输时的光强特性和有效光斑尺寸。利用广义惠更斯-菲涅尔积分式推导了部分相干异常涡旋光束的互相干函数的表达式,并在此基础之上得到部分相干异常涡旋光束的光强和有效光斑尺寸的表达式。通过数值模拟分析了部分相干异常涡旋光束的归一化光强分布和有效光斑尺寸随空间相干长度和折射率常数的变化情况。研究结果表明:部分相干异常涡旋光束比完全相干异常涡旋光束受大气湍流的影响更小。而且随着空间相干长度的减小和大气折射率常数的增加,异常涡旋光束光强的中心点强度和有效光斑尺寸逐渐增加。     

阵列合成激光束在湍流大气中传输的研究进展

多路激光束合成是获得高功率和高能量激光输出的有效途径,因此,多年来光束合成方法和技术得到了广泛的关注和深入研究。近年来,随着空间光通信和激光传播工程等应用需求的发展,合成光束在湍流大气中的传播过程及其规律研究也逐渐成为光传播研究领域的热点问题。针对多种典型激光阵列合成光束,首先对比分析了广义Huygens-Fresnel原理、Rytov微扰近似以及随机相位屏数值模拟等方法在激光阵列合成光束大气传输研究中的应用;其次,阐述了合成光束传播应用研究中的桶中功率、衍射极限倍数 、 因子、光束传输因子等光束质量评价因子的评价作用;最后,根据阵列合成激光束的研究现状和成果,提出了应进一步深入研究的问题。     

随机电磁光束通过大气湍流的传输特性

建立了随机电磁光束通过大气湍流的传输模型,并对比研究了高斯-谢尔模光束在大气湍流和自由空间的传输特性。研究表明,光谱偏振度随传输距离变化,并在远场趋于稳定;得到了远场稳定偏振度的解析表达式,其在大气湍流传输中与光束的自相关长度和互相关长度无关;光谱相干度在自由空间的远场趋于1,而在大气湍流的远场趋于0,并且湍流强度越大光谱相干度下降越快,光谱密度衰减越快。     

湍流大气激光传输数值模拟

介绍了大气湍流的统计特性、基本模型.利用SVS-Fortran的Ran(I)产生的随机数序列作为随机变量,客观地描述实际大气湍流的随机过程,经快速傅里叶变换和滤波建立了替代水平湍流大气的等效模型,并根据大气折射率功率密度谱的卡尔曼谱模型,采用广义惠更斯-菲涅耳衍射积分算法,通过快速傅里叶变换(FFT)和逆变换(IFFT)实现激光的湍流大气传输过程的模拟.结果表明,随机相位屏产生的附加相位反映了大气结构参数的性能,验证了模型的正确性.     

大气湍流对激光传输的影响

为了研究大气湍流对激光传输的影响,以大气湍流的激光传输效应为基础,建立了激光到达接收面的光强分布模型.模型考虑了折射率结构常数、传输距离、发射面和接收面孔径以及湍流引起的光束展宽等参数,分析这些参数对接收面光强分布的影响,以此研究大气湍流对激光传输的影响,并提出降低湍流影响采取的措施.     

部分相干电磁厄米-高斯光束通过湍流大气传输的偏振特性

采用相干性和偏振性统一理论,推导出了部分相干电磁厄米-高斯(EHG)光束在湍流大气中传输时偏振度的解析式,并给出了偏振度保持传输不变的条件。研究表明,部分相干电磁厄米-高斯光束的偏振度由大气折射率结构常数、光束相关长度、厄米多项式阶数、光束初始偏振度相关常数和观察点位置共同决定。经过足够长的传输距离后,光束的偏振度将趋于源平面处的初始值,并与光束相关长度、厄米多项式阶数以及湍流的强弱均无关系。电磁高斯-谢尔模型(EGSM)光束通过湍流大气传输时光束偏振度的变化作为所得结果的特例给出。     

受光阑限制的部分相干光通过湍流大气传输的方向性

基于广义惠更斯菲涅耳原理,并利用Rytov相位结构函数二次近似的方法,推导出了受光阑限制的高斯谢尔模型(GSM)光束通过湍流大气传输的二阶矩宽度及扩展角解析表达式。以未受光阑限制的GSM光束为参照光束,分别利用扩展角和归一化远场平均光强分布研究了受光阑限制的GSM光通过湍流大气传输的方向性。研究表明,若以扩展角表征光束的方向性,则在一定条件下,截断参数δ不同的受光阑限制的GSM光束能够与相应的未受光阑限制的GSM光束在自由空间及湍流大气中具有相同的方向性;若以归一化远场平均光强分布表征光束的方向性,则即使扩展角一致,δ不同的受光阑限制的GSM光束与相应的未受光阑限制的GSM光束在自由空间中的方向性也并不相同,但在湍流中则一致。     

激光大气传输特性的数值模拟

介绍了激光信号通过大气时的湍流谱模型,分析了考虑湍流内尺度条件下激光在大气中传输时的光强闪烁效应和光束展宽效应.探讨了基于修正Rytov方法的光强闪烁理论,主要是考虑湍流内尺度效应的条件下湍流内尺度、传输激光的波长以及大气结构常数对光强闪烁的影响.用MATLAB对其影响进行了数值模拟,并对结果进行了具体分析.结果表明:湍流内尺度对激光大气水平传输过程中的光强闪烁效应具有重要的影响,同时闪烁指数还随着传输激光的波长和大气结构常数等的变化而变化.     

大气湍流对激光外差探测的影响

研究了大气湍流情况下到达角起伏对激光外差探测系统干涉效率的影响.在实验室模拟大气湍流的条件下,分析检测了激光外差探测系统的干涉效率与信噪比,为提高激光外差探测系统的实用性能积累了一定的理论和实验数据.     

大气湍流信道中激光通信群延迟特性研究

选用数学模型模拟了激光大气通信系统中大气湍流信道的群延迟特性,并进行了数值计算,结果表明:大气湍流信道带来的群延迟失真很小,在激光大气通信中可以不予考虑。     

激光传输湍流大气的折射率起伏双尺度模型

运用Kolmogorov 1941串级湍流模型理论和近似①湍流大气中传输激光束的强度起伏可抽象为大尺度湍涡导致对小尺度湍涡产生强度起伏倍乘性再调制的双尺度过程;②分别由大尺度湍涡和小尺度湍涡产生的光闪烁相互统计独立;③在双尺度模型下,即使在湍流起伏饱和区,用于处理光闪烁的Rytov方法仍然适用.导出了包含湍流内外尺度因子的简化折射率起伏双尺度模型和湍流大气中传输平面波的闪烁孔径平滑因子.结果表明,有限湍流内、外尺度在0.5＜d＜3.5孔径区域增加了闪烁的孔径平滑作用.