环形光束大气传输数值模拟与分析

为了研究大气湍流对环形光束激光工程应用的影响,采用多相位屏数值模拟的方法对环形光束在大气湍流中的传输进行了仿真模拟。通过改变大气湍流强度、传输距离等参数,定量计算了不同传输条件下质心漂移均方根、远场目标的焦平面平均功率密度,给出环形光束传输路径上特征距离解析式并分析了大气湍流对环形光束远场平均光强分布的影响。结果表明,环形光束在大气湍流中传输时光斑质心漂移随湍流效应（湍流强度或传播距离）增强而增大,远场光束质量随遮拦比增大而降低。遮拦比小于0.5时,大气湍流对光束质量的影响较为明显。环形光束大气传输数值模拟方法,可为高能激光武器等激光工程应用的理论分析和效能评估提供依据。     

大气中的激光传输的光束漂移问题研究

当激光束在大气中传输时,由于受到湍流大气的影响,其将会偏离预期的位置,此现象称为光束漂移.由于大气湍流的随机性,造成了准确求解激光漂移的难度,基于概率论的相关知识可得到在弱湍流情况下光束漂移的概率密度函数分布服从正态分布,然后利用Markov近似的方法得到的光束漂移的方差来具体分析漂移的问题,并结合具体的实验结果对理论分析进行比较.     

空-地激光通信链路信号光束宽度设计

针对影响信号光束宽度最优化设计的三个最重要因素进行了讨论:一是系统的跟瞄精度,二是光学准直系统的准直能力,三是大气湍流效应对激光大气传输造成的光束弯曲、偏折、漂移等现象对系统的影响。     

大气激光束漂移的实验研究

为了研究激光束在大气中的漂移情况,对激光束在大气中的传输做了实验研究。采用电荷耦合器件CCD成像技术对光斑的漂移情况进行了测量。对光斑漂移在水平和垂直方向的变化进行了实验研究,并分析了横向风对光束漂移的影响,得到了在不同时刻以及不同传输距离情况下光束漂移情况的实验结果。结果表明,光束随传输距离的增加,垂直和水平方向的漂移量逐渐趋于一致。     

机载激光通信链路的传输信道及性能分析

对于机载激光通信的传输信道,分析了大气信道中的衰减、光强闪烁、光束漂移及气动光学效应等复合效应,并推导了接收光束尺寸、链路中断概率和误码率等传输性能。仿真分析表明：一方面,接收光束尺寸受光束漂移及气动光学效应的影响而增大,且在低空条件下的光束尺寸主要受到大气湍流的影响而导致其大于高空条件的;另一方面,长距离的机载激光通信链路需考虑光束漂移的影响,并可通过优化发射光束大小进行抑制。     

湍流大气中激光通信系统接收光功率的优化研究

以部分相干高斯-谢尔模型(GSM)光束为例,对湍流引起的漂移方差和扩展角进行模拟,综合考虑由光束漂移引起的瞄准误差和光束扩展引起的接收光功率密度的整体下降,对激光通信链路中接收端光功率进行数值计算和分析,找出激光通信系统中最佳发射光束的参数。研究结果表明,湍流大气中激光通信系统最佳发射光束的参数与光束的束腰半径、空间相干长度、波长、传播距离和湍流强度有关。部分相干GSM光束接收端光功率随着波长、光束束腰、空间相干长度和传输距离的变化存在一最优值。     

反常涡旋光束在各向异性大气湍流中的漂移

为了研究部分相干反常涡旋光束在各向异性大气湍流中的漂移特性,基于各向异性非Kolmogorov大气湍流谱模型,利用几何光学近似与Rytov近似解得到了部分相干反常涡旋光束(PCAVB)在各向异性湍流中传输的光束漂移解析式,并对该漂移解析式进行数值模拟。研究了拓扑荷、相干长度、各向异性因子、折射率结构常数等光束参量及湍流参量对PCAVB在湍流中的均方根光束漂移与相对光束漂移的影响。结果表明,相干性越好的反常涡旋光束,会使光束在各向异性湍流中的漂移现象变得更严重;随拓扑荷数的增加,可以一定程度降低湍流对光束漂移的影响;湍流随各向异性因子的增大,对部分相干反常涡旋光束的漂移影响明显减弱;广义指数参量在3~3.3范围增长时,对PCAVB均方根漂移与相对漂移影响最大,而在3.3~4之间增长时,对光束均方根漂移与相对漂移影响逐渐减弱。此研究对反常涡旋光束在各向异性大气湍流中的传输提供了一种理论模型参考。     

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。     

海上大气湍流中光束漂移模型分析

光束漂移是激光在大气湍流中传输时的一个重要效应。基于海上大气折射率起伏功率谱模型,推导得出了该环境大气湍流中水平路径光束漂移的理论表达式;为了分析所建立模型的适用性,利用CCD成像技术,在烟台地区近海面环境下开展了多次激光传输实验,分别采集到了不同时间段和不同距离的准直高斯光束漂移实测数据,在弱起伏条件下,将理论预测值与实际测量值进行比较,分析结果表明:两者之间的相对误差值全部低于16%,说明所建立的海上环境光束漂移理论模型能够与实测值较好地吻合。所得到的研究结果将为研究海上环境下光束漂移问题提供更加准确的理论模型。     

提高半导体激光二极管功率密度的光束整形方法

针对半导体激光二极管由束散角大（14~46）导致的激光功率密度在传播过程中不断衰减的问题,提出了一种提高激光功率密度的光束整形方法。首先以X型柱面平凸透镜和Y型柱面平凸透镜对激光二极管输出光束慢轴和快轴方向进行准直,然后通过一对平凸透镜组合进行扩束,进一步提高光束平行度,最后由单片平凸透镜将光束聚焦为高功率密度的光点。采用Light Tools软件仿真光路、优化光学元件参数,对光学元件进行实际选型后安装并调试光束整形系统。测试结果表明:半导体激光二极管输出光束的67%激光能量汇聚于直径1 mm圆内,激光功率密度优于30 W/cm2。     

偏振部分相干激光斜程湍流大气传输的漂移扩展

采用光场的一阶矩和二阶矩作为评价参数,研究了偏振部分相干激光波束在斜程湍流大气传输中的漂移效应和扩展效应。根据推广的惠更斯-菲涅耳原理,以椭圆偏振部分相干激光波束为研究对象,推导了斜程传输情况下波束的重心坐标、扩展半径和扩展角的表达式,数值分析了偏振波束两正交分量的相位差、方向角、波长、初始束腰半径和接收机高度对波束漂移及扩展的影响。结果表明,在确定的斜程传输距离和接收机高度下,随着偏振波束两正交分量相位差的增大,漂移效应先增大后减小,在确定的斜程传输距离下,接收机高度越高,波束的漂移效应和扩展效应越小。     

偏振部分相干激光在大气传输中的退偏特性

基于广义Huygens-Fresnel原理,利用Collins公式,讨论了偏振部分相干激光波束在湍流大气中传输的交叉谱密度函数,推导出经过偏振后的高斯-谢尔模型光束(GSM)在外场不同距离水平传输时波束偏振度的解析表达式。对偏振激光在大气湍流中传输时光束的退偏变化进行数值仿真,得到相同传输距离下,不同的偏振角和初始束腰宽度对光束偏振度的影响;同时分析了不同波长激光的退偏现象以及相同的偏振角度下,不同的初始束腰宽度对波束偏振度的影响。研究结果表明,不同的偏振角对波束的退偏不产生影响;波长越大,波束在大气湍流中传输出现退偏的现象越迟缓;初始束腰越大,大气湍流对波束的退偏影响越快。由此得出:偏振部分相干激光波束比部分相干激光波束在大气湍流中传输的退偏变化更具有规律性和稳定性,退偏现象表现得更加持久,并且初始束腰宽度的变化对偏振部分相干激光偏振度产生影响,但对部分相干波束偏振度的变化几乎不产生任何影响。     

湍流大气中激光束抖动频率相关函数和降雨大气中激光束到达角起伏

一、引言 激光束在洁净大气中传播时，由于湍流的影响，光束波阵面到达角将作随机起伏，光束整体将作随机抖动。这些湍流效应严重影响激光大气通信和大气参数的光学法探测，所以人们对此作了大量研究。但是，对激光束在雨和湍流同时存在时传输的到达角起伏和湍流大气中双频光束抖动相关函数研究很少．而这些问题在实际工程应用中常涉及到。     

部分相干高斯-谢尔光束在大气湍流中的平均强度与展宽

基于广义惠更斯-菲涅耳原理,交叉密度函数以及Rytov’s相位结构函数二次近似,利用傅里叶高斯变换推导出部分相干高斯-谢尔光束在大气湍流中的强度分布表达式,并在此基础上分析了大气湍流对角展宽、桶中功率以及光束漂移的影响。数值结果表明：角展宽和光束漂移与光束的初始半径、光源的相干长度有关;远场能量集中度随湍流强度增加、光源相干宽度减小而减小。     

受遮挡贝塞尔-高斯光束在湍流大气传输的M2因子

为了研究受遮挡贝塞尔-高斯光束在湍流大气中传输时质量因子的特性,基于拓展的惠更斯-菲涅耳原理和维格纳分布函数的二阶矩定义,经理论推导得出受遮挡贝塞尔-高斯光束的解析表达式,并进行了相应的数值计算。结果表明,当遮挡物尺寸不大于0.4倍的腰宽时,受遮挡贝塞尔-高斯光束在湍流大气中的传输质量因子随传播距离、湍流大气结构常数的增大而增大,随着湍流内标量、光束拓扑荷数的增大而减小。在相同条件下,光束的传输质量因子随着遮挡物尺寸的增大而增大。所得结论对实际激光传输和自由空间光通信有一定的参考价值。     

Electromagnetic beam propagation in turbulent media

The most recent developments on the propagation of optical beams in a turbulent medium, such as the clear atmosphere, are reviewed. Among the phenomena considered are beam spreading, beam wander, loss of coherence, scintillations, angle-of-arrival variations, and short-pulse effects.     

激光通过大气随机信道远场二维强度分布实时测试系统

文中介绍了激光通过大气随机信道的无场二维强度分布实时测试系统的结构、工作原理和关键技术,用此系统可以方便、准确、形象的观测激光远场光斑的闪烁、漂移和分裂等现象,便于我们研究大气对无线光通信的影响。     

光热光束偏转方法测量激光束特征参数

本文叙述了光热光束偏转方法的基本原理,介绍了一种新的应用光热光束偏转方法测量聚焦激光束的特征参数及聚焦透镜焦距的方法。实验测量了经单一锗透镜聚焦后的CO_2激光束的腰斑半径和位置,同时确定了聚焦锗透镜的焦距,其结果与实际情况一致。