随机电磁光束在大气湍流中偏振态的变化

基于广义惠更斯-菲涅耳原理,以随机电磁双曲 正弦高斯(ShG)光束作为典型的随机电磁光束, 推导出随机电磁ShG光束在大气湍流中交叉谱密度矩阵元的解析表达式,并用以研究了随机 电磁ShG光束 在大气湍流中轴上偏振度、方位角和椭圆率的变化。结果表明,随机电磁ShG光束在大气湍 流中轴上偏振 度、方位角、椭圆率的变化与结构常数、Sh部分参数、空间相关长度和传输距离有关。随着 结构常数的减 小,或Sh部分参数的增大,方位角θ发生跃变位置增大,偏振度P达到最小值 和椭圆率ε达到最大值的传输 距离增大。当传输距离较远时,Sh部分参数Ω₀对偏振度P、 方位角θ和椭圆率ε的影响可以忽略。该研究工 作可为随机电磁光束在自由空间光通信中偏振态的分析提供理论基础和实验依据。     

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。     

部分相干平顶光束在大气湍流中空间相干性研究

采用Rytov相位结构函数二次近似的方法和广义惠更斯-菲涅耳原理,推导出了部分相干平顶光束通过大气湍流传输的空间相干度公式,研究了湍流对光束空间相干特性的影响.研究表明:部分相干平顶光束的空间相干性由大气湍流折射率结构常数、光束的相对空间相关长度、平顶光束的阶数、传输距离和观察点位置坐标等因素共同确定.部分相干平顶光束通过湍流大气传输时,其空间相干度会出现振荡和相位奇异现象,但随着湍流的增强,振荡减弱,直至振荡和相位奇异现象消失.     

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J0相关部分相干平顶光束的传输特性

为了研究相干度为零阶贝塞耳函数的部分相干平顶光束的传输特性,采用广义惠更斯-菲涅耳公式得到了J0相关部分相干平顶光束通过湍流大气的平均光强分布,并利用空间2阶矩法得到了均方根束宽的解析表达式;分析了传输距离、相干长度、大气折射率结构常数、阶数对光强分布特性和光束扩展的影响。结果表明,J0部分相干平顶光束的阶数越高,相干长度越小,光束受湍流的影响就越小;改变光源的相干度可以使光束在湍流大气中的中心光强达到最大。     

斜程湍流大气中部分相干平顶光束的偏振度研究

基于广义惠更斯-菲涅耳原理和Stokes参数法研究了部分相干平顶电磁光束在湍流大气中斜程传输的偏振度特性,不仅讨论了电磁光束同一极化方向上的偏振度以及交叉极化的偏振度,还讨论了光束阶数、天顶角、频率、接收高度等因素对偏振度的影响。数值分析结果表明:激光在湍流大气中斜程传输时通过提高接收高度可减小天顶角对偏振度的影响;光束偏振度随着光束阶数的增大而减小;在中心角频率附近,偏振度随着频率的增大而减小;与只考虑同极化的偏振度不同,考虑交叉极化的偏振度时,偏振度随着传输距离的增大,变化无界。     

EEMGSM光束在各向异性湍流中的光束质量因子研究

为了探究矢量椭圆多高斯-谢尔模(EEMGSM)光束的传输特性, 基于广义惠更斯-菲涅耳原理和维格纳分布函数的二阶矩理论, 理论推导了EEMGSM光束在各向异性湍流中传输的质量因子解析表达式。通过数值计算和分析, 探究了初始偏振度、初始相干度、腰宽、波长和湍流结构常数等与质量因子的变化规律。结果表明, EEMGSM光束的质量因子随着阶数、波长和腰宽的增大而减小; 随着初始相干度和湍流结构常数的减小而减小; 在相同条件下, 具有大初始偏振度的EEMGSM光束的光束质量受各向异性的影响小于具有小初始偏振度的EEMGSM光束的光束质量; 且在相同条件下, EEMGSM光束的质量因子比标量椭圆高斯-谢尔模(EGSM)光束小, 即EEMGSM光束具有缓解各向异性湍流影响的优点。所得结论对于自由空间光通信的研究具有一定的理论参考价值。     

部分相干复宗量厄米-高斯光束捕获两种类型粒子

基于互谱密度函数和瑞利散射理论,推导了聚焦部分相干复宗量厄米-高斯光束的光强分布和作用在瑞利电介质球上辐射力的解析表达式,并进行了相应的数值计算。结果表明:当横向相干长度较大时,聚焦部分相干复宗量厄米-高斯光束具有空心光束的轮廓,空心的尺寸随着光束阶数的增加而增大;随着相干度的逐渐减小,聚焦部分相干复宗量厄米-高斯光束逐渐转化成高斯光束,光强的峰值随着光束阶数的增加而减小。通过改变光束的相干度,选择合适的光束阶数、光束腰宽及透镜的焦距长度,可实现对折射率不同的两类粒子的大范围、稳定捕获,所得结论对光学捕获具有一定的理论参考价值。     

部分相干电磁光束在湍流介质中传输的光谱变化

从推广的惠更斯-菲涅尔原理出发,推导出了部分相干电磁光束的光谱在湍流介质中传输的表达式,并以电磁高斯-谢尔模型(EGSM)光束为例,研究了湍流对电磁高斯-谢尔模型光束光谱的影响.研究结果表明,在湍流介质中传输的部分相干电磁光束的光谱会随着折射率结构常数、空间相干长度、光斑大小的改变而变化.     

电磁反常涡旋光束在各向异性大气湍流中的偏振特性

本文研究了部分相干电磁反常涡旋光束(PCEAVB) 通过各向异性non-Kolmogorov大气湍流后的偏振 度和偏振态的变化。研究结果表明,PCEAVB的偏振度分布为同心的圆环,而随着光束阶数n和拓扑荷数 m的增大,同心圆环数逐渐增加,分布越密集。光束阶数n越高、拓扑荷数m越低,高偏振度 分布区域越 趋于中间区域;反之,则趋于外环分布。PCEAVB的偏振态随着传输距离z的增 加由均匀线偏振变成非均 匀线偏振,偏振角呈现圆环状分布,且偏振角较大的区域随着传输距离z的增大而逐渐向外 环移动。拓扑 荷数m越大、光束阶数n越小,PCEAVB的偏振角较大的区域越靠近 于中心区域。而且光束阶数n和拓扑 荷数m越大的PCEAVB,偏振态受到湍流的影响越小。且各向异性越强的大气湍 流对PCEAVB的影响越小,光束演化得越慢。     

高斯-谢尔模型阵列光束在湍流大气中的空间相干性

基于广义Huygens-Fresnel 原理和Rytov 相位结构函数二次近似的方法,推导出了径向分布高斯-谢尔模(GSM)阵列光束在湍流大气中传输时的交叉谱密度函数解析表达式,并利用表征光束相干性的空间复相干度系数,详细分析了GSM 阵列光束在大气湍流中传输时的空间相干性变化规律。研究结果表明:径向分布GSM 阵列光束的空间相干性由子光束空间相干长度、传输距离、大气折射率结构常数及相对径向填充因子等因素共同确定;径向分布GSM 阵列光束通过湍流大气时,其空间相干度在传输过程中会出现多峰值现象,但是随着传输距离增大,多峰值现象逐渐消失并趋向于高斯分布,并且随着距离增大空间相干度宽度逐渐减小,光束空间相干性变差。     

部分相干光经多个圆孔衍射后的偏振度变化

基于随机电磁光束的相干偏振统一理论和部分相干光的传输定律,研究了部分相干光源所发出的光经过多个圆孔衍射后的偏振度变化情况。以高斯-谢尔(Gauss-Schell)模型光束为例,研究了多个圆孔衍射后的轴上偏振度变化。发现随着圆孔数量的增加,偏振度将出现相应的变化,并且经过足够长的传输距离之后,偏振度将趋于一个定值。以三个圆孔为例,重点研究了圆孔大小、圆孔间距、源平面处的相干长度以及源平面的偏振度取值等参量对轴上观察点的偏振度影响。     

部分相干调制方形平顶脉冲电磁光束在自由空间的传输特性

基于广义惠更斯菲涅耳衍射积分和相干偏振统一理论,研究了有振幅和相位调制的部分相干方形平顶脉冲电磁光束在自由空间的传输特性,推导出了有振幅和相位调制的部分相干方形平顶脉冲电磁光束在自由空间传输的交叉谱密度矩阵解析式,通过数值计算分析了有振幅和相位调制的部分相干方形平顶脉冲电磁光束在自由空间传输的光谱强度分布。研究结果表明振幅和相位调制半径、调制深度都会对部分相干方形平顶脉冲电磁光束的光谱强度分布产生影响,有振幅和相位调制的部分相干方形平顶脉冲电磁光束在自由空间传输的光谱强度分布与相干长度、脉冲时间相干长度和传输距离有关。     

随机介质中部分相干光的偏振特性

从推广的Huygens-Fresnel原理出发,对在随机介质中传输的部分相干光偏振态的演化作了研究。以偏振高斯一谢尔模(PGSM)光束为例,进行了理论计算。结果表明：由于随机扰动的影响,偏振度呈现出振荡变化,并且光源的空间相干性对振荡剧烈程度有着很大的影响。     

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。     

Gamma-Gamma大气湍流中部分相干光通信系统性能研究

部分相干光在湍流大气中传输时,可以有效抑制湍流所引起的光强闪烁效应,从而改善通信链路性能。针对Gamma-Gamma大气湍流信道模型和部分相干光的光束特性,得到了采用OOK调制方式下部分相干光通信系统的平均误码率、中断概率和平均信道容量三个性能指标的解析表达式;在此基础上,分析了光束的空间相干长度和通信距离对通信链路的性能影响。计算结果表明,在相同的大气湍流条件和传输距离下,随着部分相干光的空间相干长度的减小,系统的误码率和中断概率逐步降低,在平均信噪比为30 dB时,系统的误码率可以达到10-5,中断概率低于10-6;另外,系统的平均信道容量会随着光束相干长度的减小而增加,在信噪比等于12 dB时,平均信道容量达到3.8 b/sHz-1。分析结果为部分相干光在湍流大气中实现可靠通信提供了理论依据。     

部分相干Airy涡旋光束在非Kolmogorov谱中的模态强度

为了探究部分相干Airy涡旋光束在非Kolmogorov谱中模态强度的演化规律,基于广义的Huygens-Fresnel原理和Rytov近似理论,推导了部分相干Airy涡旋光束的轨道角动量模态概率的解析式。结合MATLAB的数值模拟,研究了部分相干Airy涡旋光束在非Kolmogorov谱湍流大气中传输时湍流参量和波束参量与涡旋模态强度的关系,对部分相干Airy涡旋光束的相干宽度在传输过程中对模态强度的影响进行了理论分析。结果表明,选取拓扑荷数较小、主亮环半径较大、波长较长的部分相干Airy涡旋光束能有效减缓湍流效应的影响,减小强湍流中模态间的串扰;较大的湍流谱幂指数和较小的探测器孔径直径能提高部分相干Airy涡旋光束的模态强度;与完全相干涡旋光束相比,部分相干涡旋光束具有较强的湍流阻力,在大气湍流中能有更好的传输性能,相干性较差会导致螺旋谱分布弥散。这些结果对自由空间光通信的研究具有一定的参考价值。     

非线性光谱展宽载波的湍流信道高速传输特性

采用非线性光谱展宽光源作为高重复频率部分相干光载波光源,开展大气湍流信道中高速信息传输实验研究。通过皮秒光纤激光器泵浦高非线性光纤获得非线性光谱展宽的部分相干光载波光源,重复频率可达10 GHz。采用10 Gbit/s脉冲高速数字调制,通过模拟大气湍流信道传输,相干光载波和部分相干光载波在湍流信道传输前后的信噪比分别从16.83 dB和11.83 dB降低至4.31 dB和5.64 dB。在温度差ΔT=230℃的模拟大气湍流通道中,当误码率为3.8×10^-3时,部分相干光载波链路灵敏度达到-27.8 dBm,与相干光载波相比,灵敏度提高了1.6 dB。