湍流大气中准直激光束的光斑特征Ⅰ.特征半径

利用数值方法研究了不同光传播起伏条件下湍流大气中准直激光束的光斑特征 ,结果表明 ,光斑稳定半径(Rrbt)和等效半径 (Reff)具有很好的相关性 ,虽然Rrbt 可应用于更一般的光斑 ,但它们都不适合衡量光斑质量 ;而锐度半径 (Rshp)可以恰当地反映光斑质量。对于准直激光束 ,在极弱起伏条件下 ,约有一半的光斑其质量变好或变差 ,但变化幅度很小 ;随起伏条件的加强 ,越来越多的光斑质量变差 ,但仍有一部分光斑质量变好 ,且程度越来越高     

激光在湍流大气中的光强起伏与光斑统计特征

我们系统地研究了激光在湍流大气中的光强起伏与光斑统计特征。对数光强起伏的概率密度分布在弱起伏传播条件下大都接近于正态分布，其偏斜度一般为负，陡峭度一般为正。用五线段拟合法确定对数光强起伏频谱的无标度区间的标度指数，该标度指数在一天中变化很大，大部分情况下与局地均匀各向同性湍流介质中的传播理论结果不符。在可靠地确定CCD背景信号的基础上，测量了湍流大气中的光斑，从数值运算和实验测量两方面分析了被湍流大气退化的光斑的形变特征，引入了适合工程应用的的描述方法。     

云南高美古湍流大气中激光短曝光光斑统计特性研究

为了探究激光在自由高空湍流大气中传输的短曝光光斑特性,在云南高美古3200 m的高海拔地区,选择远离下垫面的地势条件,开展了532 nm固体激光1,2,3,4,4.7 km大气传输光斑成像探测实验。利用4000 frame/s采样速率下的短曝光光斑数据,定性地描述了湍流大气中短曝光远场激光光斑的网纹状形态结构以及零星亮点的移动、消散和重构过程,并对激光光斑灰度值进行了定量的统计分析。结果表明:利用二维的光斑图像数据,可以较为方便地获得光强闪烁的孔径平均因子和理想的点闪烁指数,进而得到包括湍流强度和湍流内尺度在内的关键光学湍流参数;同时,也可对激光闪烁频谱、截止频率以及光斑的空间相关特性进行定量的判断。相关数据有助于研究高原或高空长程传输条件下的激光能量在目标靶面上的空间分布及其时间变化特性,为研究激光长程大气传输后光电系统的变化提供了一定的参考。     

近海面大气湍流中准直高斯光束光斑扩展实验

光斑扩展是光束在大气湍流中传输时的一个重要效应。利用光束动态变化测试系统在烟台地区近海面进行了准直高斯光束传输实验,在测量光斑扩展、温度、相对湿度和大气折射率结构常数等数据的基础上,分析了近海面准直高斯光束光斑扩展的变化特征。分别选择不同距离的链路和不同时间段进行实验,分析光斑扩展的变化情况。研究结果表明:近海面大气湍流中的光斑扩展半径与大气折射率结构常数相关性在晴朗时比风浪较大时要好。在风浪较大时,光斑扩展半径与大气折射率结构常数相关性较差,但在一定时刻与温度和相对湿度相关性较好;在链路距离相同的条件下,夜间光斑扩展半径明显小于昼间,且夜间光斑起伏幅度也小于昼间。     

降雨大气中激光束漂移和到达角起伏研究

本文利用降雨大气中,雨滴与湍流所引起折射率起伏的相互独立性,在雨滴对光束的前向散射近轴条件下,以马尔科夫过程和delta相关条件,讨论了激光束穿过雨屏和湍流大气时,所引起的漂移和光波波阵面到达角起伏的统计特性.给出了它们的理论计算曲线.得出结论为:在降雨大气中,雨滴所引起对激光束的漂移和到达角起伏量均比同时存在的弱湍流影响要大.     

激光在动态大气湍流中的传播特性研究

激光束在大气中传播的过程中会受到大气湍流的影响,导致光斑发生畸变,影响光束质量,并且在真实情况下湍流是随着时间变化的。本文针对这一问题,基于傅里叶变换的谱反演法建立了湍流相位屏模型,并根据湍流冻结法获得动态相位屏,开展了激光在不同强度的动态大气湍流中传输的仿真研究。仿真结果表明:对于相同的激光束,在相同时间内的光斑畸变随着大气湍流强度的增加而增加,并且接收到的功率密度整体上减小,起伏增加。     

相位屏法研究平顶高斯光束的大气传输特性

由于理论研究和实验研究的局限性,用随机相位屏描述湍流大气对激光束的影响,模拟了平顶高斯光束经湍流大气传输时的远场光斑,并进行了统计分析。结果表明,平顶高斯光束经弱湍流大气传输时,短曝光光斑由中心小暗斑和外侧不规则的亮斑组成,湍流增强使光斑破碎,光强分布杂乱无章;对长曝光光斑而言,弱湍流情况下,光斑形状规则,光强分布存在中心凹陷现象,湍流增强使光斑变为椭圆,但光强变为近似成高斯分布。对于本文的参数值,湍流强度为C2n=10-16m-2/3时,光斑质心沿x和y方向分别在[-7.5 mm,7.5 mm]和[-10 mm,10 mm]随机变化,湍流增强使质心漂移标准差变大,同一湍流情况下,平顶高斯光束质心漂移的标准差要比高斯光束小。     

激光钠信标光斑漂移和光斑半径的数值模拟与分析

激光钠信标的光斑漂移、光斑半径的变化对自适应光学校正有直接的影响。在激光钠信标光斑漂移方差和有效半径理论模型的基础上,采用数值模拟的方法,在三种大气湍流模式下,具体研究了激光钠信标光斑与激光光斑漂移方差和有效半径的差异,计算了不同发射口径时激光钠信标光斑的长曝光与短曝光有效半径的平均值,分析了有再泵浦能量激光对激发钠信标光斑漂移方差和平均有效半径的影响。研究结果表明,大气湍流强度、激光发射口径以及再泵浦激光能量都能够影响激光钠信标光斑漂移和光斑半径。     

高空湍流影响下航空激光传输性能分析

采用“Clear 1”折射率起伏湍流模型对高空大气湍流进行描述,通过仿真建立了高空湍流信道气动光学效应影响模型,分析了光斑尺寸与飞行高度、激光波长、传输距离的关系;研究了gamma-gamma大气湍流信道下光强闪烁因子随接收孔径尺寸、飞行参数的变化特征。结果表明:①光斑尺寸受气动光学影响而增大,低空传输条件下光斑尺寸大于高空;②光斑尺寸随波长增加而增大;在相同条件下,波长为800 nm激光的光斑尺寸受气动光学影响最大;③闪烁指数仅与接收孔径大小有关,并随着传输距离的增大而逐渐增加,当闪烁指数超过1,其增加幅度降低并逐渐达到最大值。     

高能激光及其采样后大气传输中湍流及热晕效应的比较

通过数值模拟，比较了高能激光及其采样后在湍流大气中传输时远场中央长曝光斑的环同能量半径与扩展等情况。结果表明，在仅有湍流时两者保持不变，而热晕会导致光斑的进一步扩展；采样器的透光比越低，热晕对光斑的扩展影响越小；未采样高能激光的远场中央光斑相对于高能激光经采样后的远场中央光斑的扩展，可归因于热晕效应。因此，利用光束波前采样器对高能激光及其采样后在湍流大气中传输时的远场光斑特性进行比较，就可以诊断高能激光大气传输热晕效应。     

湍流强度对激光大气传输及其自适应光学校正的影响

利用激光大气传输及其相位校正四维程序,计算了不同的发射和传输条件对平台聚焦光束水平大气传输及其自适应光学校正的影响。结果表明：自适应光学系统开环时,在弱湍流效应条件下,以D／r0为特征参量可以很好地表征湍流效应的强弱,SR值满足关系式SR=exp[-0．2（D／r0）^2],不考虑系统像差时,光束质量因子满足关系式β2=1＋1．2（D／r0）^2;随着湍流强度或传输距离的增加,要考虑闪烁效应和相位不连续性对光束质量的影响,以D／r0为特征参量就不足以表征湍流效应的强弱。另外,对于不同的发射和传输条件,自适应光学系统对激光大气传输的校正范围是不同的,且存在一阈值,条件不同其阈值是不同的。     

小尺度热晕不稳定性线性化普遍理论

本文利用小起伏线性理论，给出了在非均匀吸收大气并伴有随机风速切变情况下高能激光大气传输的对数光强起伏和相位起伏以及Strehl比的普遍表达式。Strehl比的计算结果表明，由于存在小尺度热晕相位校正的不稳定性，和湍流效应相位补偿不同，只有适当地选择变形镜驱动器的间距，相位校正才有效。随机风速可以部分地抑制小尺度热晕不稳定性与相位校正不稳定性，从而提高了高能激光发射的临界能量密度。但在实际大气中，它的数值还要比产生整束热晕相位校正不稳定性的临界激光能量密度小一个量级以上。     

自适应光学校正下空间光通信的光纤耦合效率及斯特列尔比

采用光纤部件的自由空间光通信系统需要把接收到的光束耦合进单模光纤中,然而由于大气湍流的影响,使光纤耦合效率下降。自适应光学能够减小大气湍流效应,提高光纤耦合效率,根据大气湍流参数的空间光到单模光纤耦合效率表达式,得到了自适应光学校正下单模光纤耦合效率表达式,仿真结果显示:自适应光学能够增加空间相干长度,从而有效提高光纤耦合效率。同时还研究了斯特列尔比与耦合效率的关系,结果表明:无论有无自适应光学校正,两者都具有很好的拟合关系,因此在实际中可以用比较简单的斯特列尔比近似估计耦合效率。     

波像差与光束质量指标的关系

用数值计算的方法，研究了不同类型波像差及其组合的均方根值（ＲＭＳ）和β及Ｓｔｒｅｈｌ比的关系，建立了拟合关系式，并以此分析了Ｋｏｌｍｏｇｒｏｆ湍流的ｒ０与β的关系     

阈值法对激光远场焦斑质量测量和计算的影响

建立了非稳腔激光束通过大气湍流随机相屏传输至远场焦平面上的光斑强度分布模型,并考虑CCD像素单元对激光能量的离散化积分采样及探测噪声的影响,以峰值斯特雷尔比Rs、环围能量斯特雷尔比Ree和光束质量因子β作为评价远场光斑质量的指标,利用蒙特卡罗法研究了在不同信噪比(SNR)和光斑分布形态情况下,采取四种不同阈值去噪方法对远场光斑质量评价参数计算精度的影响。结果表明,足够的测量信噪比是保证光束质量测量精度的前提,在测量信噪比和光斑分布形态给定的情况下,采取阈值为CCD背景噪声均值,同时保留随机噪声起伏的去噪方法是较为合理的选择。     

高功率激光束光束质量的数值评价方法

为估计１０＾１２Ｗ高功率激光器的光束质量，本文采用最小二乘法对已重构的波前曲面进行球面拟合，得到相对应的无波像差参考波前。利用无波像差参考波前的曲率半径计算出高功率激光光束的衍射角，由有畸变波前与无波像差参考波前的波像差估算出激光束的Ｓｔｒｅｒｈｌ比，从而给出了评价高功率激光系统光束质量的定量结果。     

内光路中大气吸收对远场光束质量的影响

采用桶中功率、β参数、像散参数、Strehl比和光束重心位置等参数描述远场光束质量,研究了在内光路中进行气体吸收对远场激光光束质量的影响,并与内光路中有横向吹风存在情况作了比较.用自编四维仿真程序进行了数值计算和物理分析.研究表明,随着吸收系数的减小或风速的增大,远场光束的峰值光强明显增强,可聚焦能力大大提高.但横向吹风会引起像散.     

部分相干平顶光束序列在湍流大气中传输特性

为了研究部分相干平顶光束序列在湍流中的传输特性,采用扩展Huygens-Fresnel原理,得到了相应的解析表达式,并运用MATHEMATICA进行了相应的数值模拟。结果表明,湍流一定时,相干长度越小,变成高斯光束的趋势越快;光束阶数越大、相干长度越小,部分相干平顶光束序列的相对束腰宽度扩散较快;相干长度越小、光束阶数越大,部分相干平顶光束序列的斯特列尔比受湍流影响越小;在远场中,当阶数改变,桶半宽度小于4倍光束的束腰宽度时,平顶光束序列的光束阶数相对高,桶中功率相对大,桶半宽度大于4倍光束的束腰宽度时,平顶光束序列的光束阶数相对高,桶中功率相对小;当光束的相干长度改变时,桶半宽度小于4倍光束的束腰宽度时,平顶光束序列的相干长度σ越小,桶中功率越大,桶半宽度大于4倍光束的束腰宽度时,相干长度σ越大,桶中功率越大。这些结果对激光在通信方面具有一定的实际应用。     

椭圆高斯光束的衍射和象差

从惠更斯－菲涅耳原理出发,采用数值积分方法分析了会聚椭圆高斯光束焦点附近的三维光分布状态,讨论了按照均匀光波球差最佳校正形式对椭圆高斯光束进行象差平衡时的中心点亮度变化,研究表明,在工程实际中,采用普通光学系统的象差平衡理论对半导体激光光学系统进行设计是完全可行的。