带球差的部分相干光束在海洋湍流中传输的光强特性北大核心CSCD

利用广义惠更斯-菲涅耳衍射积分公式得到了带球差的部分相干光束在海洋湍流中传输的光强表达式,通过数值计算研究了带球差的部分相干光束在海洋湍流中传输的光强特性。研究表明:均方温度耗散率χT较大、单位质量液体中的湍流动能的耗散率ε较小或者温度和盐度波动的相对强度w较大时,海洋湍流对光束的扩展影响较大;χT较小、ε较大或者w较小时,海洋湍流对光束的扩展影响较小;光束的相干长度越小,或者球差越大,光束越扩散。光束在海洋中传输时,球差参数对光束扩散的影响明显小于海洋参数对光束扩散的影响。     

部分相干双涡旋光束在海洋湍流中的传输

基于广义惠更斯―菲涅耳原理,推导了部分相 干双涡旋光束在海洋湍流中传输时光强分布的理论表 达式,详细研究了部分相干双涡旋光束在海洋湍流中的传输特性。研究结果表明,在传输距 离较小的情况 下,双环结构扩展随着外环拓扑荷数的增加而增大,传输一定距离以后光束转化为空心分布 ,当传输距离 足够长后,光强分布转化为类高斯分布。研究还发现,双涡旋光束在海洋湍流中的强度分布 也受到海洋湍 流相关参数的影响,并且随着海洋湍流的相关参数的改变,光束转化为类高斯分布所需要的 传输距离也随 着改变。另外,在传输距离较短的情况下,光源的相干性越好,光束的双环结构越明显,并 且中间的“暗核” 越明显。所得结果对于部分相干双涡旋光束应用于水下湍流环境有着重要的意义。     

非均匀辛格相关蓝绿激光波束通过海洋湍流的传输特性

根据广义惠更斯-菲涅尔原理,建立了非均匀辛格相关蓝绿激光波束在海洋湍流中的传输模型。基于交叉谱密度函数,讨论了不同传播距离下波束光强变化。数值计算了波束光强和光强最大值横向偏移受海洋湍流参数的影响。结果表明,传播距离和海洋湍流参数对非均匀辛格相关蓝绿激光波束的光强自聚焦现象有一定影响。当传播距离一定时,温度均方耗散率对光强自聚焦的影响大于湍流动能耗散率和温度盐度波动相对强度。     

PCFT光束阵列在海洋湍流中的传输特性

为了研究部分相干平顶光束阵列在海洋湍流中的传输特性,基于拓展惠更斯-菲涅耳原理和魏格纳分布函数,结合海洋湍流的空间功率谱函数,理论推导了部分相干平顶光束阵列在海洋湍流中的传输因子、有效曲率半径、瑞利尺寸的解析表达式,数值计算并讨论了它们与光束的相干长度、海水温度与盐度变化、动能耗散率、温度方差耗散率等参量的关系.结果表明,在相同条件下,当传输距离超过400m时,相对于部分相干高斯光束、部分相干平顶光束和部分相干高斯光束阵列,部分相干平顶光束阵列受海洋湍流的影响更小,传输特性更为稳定.此结果对选择合适的光束在海洋湍流传输方面具有一定的参考价值.     

涡旋光束在海洋湍流中传输的闪烁因子

采用分步相位屏方法仿真涡旋光束在海洋中的传输,并对涡旋光束在海洋湍流中传输的光强和闪烁因子进行仿真计算。研究发现,随着传输距离的增加,涡旋光束的光斑逐渐扩散开来,且中心暗斑也在逐渐消失。通过改变湍流相位屏参数模拟不同强度的海洋湍流,发现随着均方温度耗散率变大,或温度、盐度波动的相对强度变大,或单位质量液体中的湍流动能耗散率变小,涡旋光束的轴上点闪烁因子也会变大。当传输距离达到一定值时,涡旋光束的闪烁因子会逐渐低于高斯光束,且拓扑荷数越大闪烁因子降低得越明显。     

高斯阵列光束自耦合特性的实验研究

根据广义Huygens-Fresnel原理和修正von Karman谱模型,推导出了径向分布高斯阵列光束经非相干合成后在大气湍流中传输时的光强分布解析表达式,并对阵列光束自耦合特性随传输距离和径向分布半径的变化情况进行了数值分析,最后对径向分布半径不同的阵列光束自耦合特性随传输距离的变化进行了测量。实验结果表明:高斯阵列光束在大气湍流中水平传输时,随着传输距离的增加阵列光束会从某一距离处耦合成一束,且合成光束的平均光强呈类高斯分布;相同传输条件下,径向分布半径越小,阵列光束的自耦合特性越好。     

具有扭曲相位的部分相干矢量光束在海洋湍流中的传输特性北大核心CSCD

基于扩展的惠更斯-菲涅耳原理和维格纳分布函数(Wigner distribution function,WDF)相结合的方法,推导了部分相干扭曲矢量光束(partially coherent twisted vector beam,PCTVB)在海洋湍流中的M^(2)因子和角扩展的解析式。数值模拟表明:通过调控束腰宽度、扭曲因子、初始相干长度和波长能在一定程度上提高光束抗湍流能力。减少光束初始相干长度,增加波长和束腰宽度可使光束有更小的M^(2)因子,而增大扭曲因子的绝对值,使光束的M^(2)因子更小,光束的抗湍流干扰性更强。随着海洋湍流的温度方差耗散率与温度和盐度比率的减小,动能耗散率、各向异性因子的增加,海洋湍流对光束的影响变小,光束将具有更好的传输质量。     

大气湍流对激光空间传输特性影响的实验研究

为了研究大气湍流对不同波长激光传输特性的影响,利用MATLAB对其进行了仿真,设计湍流模拟箱进行实验,将仿真和实验结果对比进行了理论分析和实验验证。对激光波前光强分布进行了观察与记录,并对不同波长激光束在相同大气条件下的光束漂移和光强起伏做了测量与分析;就大气湍流对线偏振光的偏振态影响进行了实验观测。结果表明,随着大气湍流的增强,激光波前光强分布容易受到明显的影响;激光束的光强起伏随着波长的增大而减小,其方差最高到达2.79×10^-2,而光束漂移则与波长无关,方差最高到达9.11×10^-12;线偏振光受到湍流效应的影响,其光强产生随机变化,且随着湍流强度的提高,变化程度更剧烈。实验测试数据结果与大气湍流理论相符合,这对激光大气传输的研究具有一定的参考价值。     

阵列涡旋光束在不稳定分层海洋中的远距离传输

阵列光束在大功率激光合成、远距离通信、高质量输出等方面发挥着重要作用。本文利用相位屏法模拟海洋湍流,研究了径向阵列涡旋光束与矩形阵列涡旋光束在具有外尺度的不稳定分层海洋中的传输特性,并将其与单涡旋光束的传输特性进行了对比,分析了三种涡旋光束在海洋湍流中的光强与相位分布。结果表明：两种阵列涡旋光束传输一段距离后不再保持初始的阵列分布,子光束之间会相互影响,产生了干涉条纹。在相同的条件下,单涡旋光束的漂移比两种阵列涡旋光束大,束宽比两种阵列涡旋光束小,而且径向阵列涡旋光束的漂移比矩形阵列涡旋光束大,束宽比矩形阵列涡旋光束小。在较远距离处,单涡旋光束的闪烁指数比两种阵列涡旋光束大,而且矩形阵列涡旋光束的闪烁指数比径向阵列涡旋光束大;在较强湍流和远距离处,三种涡旋光束的束宽逐渐减小。     

反常涡旋光束在分层海洋湍流中的光强和相位特性研究

基于扩展惠更斯-菲涅尔原理在修正的海洋光学湍流频谱模型中推导了反常涡旋光束在分层海洋湍流中传输的交叉谱密度函数,在弱湍流的情况下,计算了反常涡旋光束通过分层海洋湍流传输后光束的光强和相位随湍流中传输距离的变化关系,分析了反常涡旋光束空间相干长度、海洋湍流相关参数和传输距离对反常涡旋光束传输的影响。结果表明：反常涡旋光束在分层海洋湍流中传输后完全退化为高斯光束;当海洋湍流处于不稳定分层时,由盐度驱动,反常涡旋光束退化速率变快,由温度驱动,反常涡旋光束退化速率减缓;相位随着传输距离的增大由四瓣退化为圆形亮斑。     

Dynamical behavior and propagation characteristic of partially coherent sinh-Airy beams in oceanic turbulence

By introducing the hyperbolic sine function to Airy beam, the dynamic behavior and propagation characteristics of partially coherent sinh-Airy beams in oceanic turbulence are studied using approximate analytical intensity expression. The influence of sinh modulation parameter, coherence length and ocean parameters on intensity evolution, beam width and kurtosis parameter is mainly discussed. The results show that a non-zero sinh modulation parameter presents not only the insensitivity to oceanic turbulence, but a smaller beam width. Furthermore, it also improves kurtosis parameter. These findings bring advantages in signal reception for long distance. In addition, a larger relative intensity of temperature or salinity fluctuations, mean square temperature dissipation rate, or a smaller dissipation rate of turbulence kinetic energy is more liable to increase beam width, or decrease intensity and kurtosis parameter of partially coherent sinh-Airy beams. The results provide an opportunity for improving signal reception of underwater communication or target detection by Airy beams or their groups.     

相位屏法仿真海洋湍流激光传输特性有效性

海洋湍流是制约水下激光通信应用的重要因素之一,相对于大气湍流,海洋湍流在较短距离内即可达到强起伏,针对强湍流传输特性及数值仿真的可靠性验证具有重要意义。基于大气湍流传输特性理论公式,利用大气湍流参数等效表达海洋湍流的方法给出了弱起伏到强起伏条件下海洋湍流传输特性的理论计算公式。针对相位屏法在海洋湍流仿真中的应用,给出了选取相位屏间距、网格尺寸和网格数目的基本要求,并数值仿真了海洋湍流不同参数条件下的传输特性,与理论计算结果进行了对比。结果表明:基于相位屏法得到的光强一阶矩传输特性参量与解析结果较为一致,但是在强闪烁条件下数值仿真光强闪烁特性与理论结果偏差较大。     

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,...     

Spectral properties of partially coherent chirped Airy pulsed beam in oceanic turbulence

Spectral shifts and spectral intensities of partially coherent chirped Airy pulsed(PCCAP) beams propagating through oceanic turbulence are studied, where spectral properties of partially coherent chirped Gaussian pulsed(PCCGP) beams are also compared. The effects of optical parameters and oceanic turbulence parameters on spectral shifts at different observation positions are mainly discussed. It is shown that the spectral shift of PCCAP beam is richer than that of PCCGP beam, and there exists some critical positions for PCCAP beams where the spectral red-shift reaches its maximum. The spectral red-shift increases with increasing chirped parameter, correlation length or decreasing pulse duration. However, the increasing of spectral red-shift is accompanied by increasing dissipation rate of turbulence kinetic energy in unit mass liquid or decreasing relative intensity of temperature and salinity fluctuations, mean square temperature dissipation rate. A physical explanation of rapid spectral transition is also made.     

部分相干cosh-Gaussian光束通过大气湍流后的聚焦特性

为了研究部分相干双曲余弦高斯光束通过大气湍流中传输后的聚焦特性,采用了ABCD矩阵光学的方法进行分析研究,取得了光强分布、束腰半径以及桶中功率的解析式,并用于描述部分相干双曲余弦高斯光束通过大气湍流的聚焦特性。结果表明,在不同湍流强度下,部分相干双曲余弦高斯光束和双曲余弦高斯光束在经过大气湍流后有不同的聚焦特性;使用桶中功率和束腰半径作为评价参量,大气湍流对完全相干双曲余弦高斯的影响更严重;大气湍流对聚焦部分相干双曲余弦高斯光束的影响要大于准直光束。该结果对部分相干光束聚焦特性的研究有一定的理论指导意义,对合成光束傍轴聚焦系统的设计有工程指导意义。     

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。     

大气湍流中贝塞尔-高斯涡旋光束传播性能分析

为了研究涡旋光束在湍流大气中的传输特性,根据广义的惠更斯-菲涅耳原理,采用基于快速傅里叶变换的功率谱反演法,对贝塞尔-高斯光束在大气湍流中的传输过程进行了理论分析和数值仿真; 采用次谐波补偿法产生随机相位屏来模拟大气湍流,解决了大气湍流模拟时存在低频成分不足的问题。结果表明,除了湍流强度外,传输距离、拓扑荷数、激光波长等也成为影响贝塞尔-高斯涡旋光束质量的主要因素; 湍流越强,光束的环形光强越弱,相位畸变越严重,光强起伏越明显,且逐渐退化为普通高斯光束; 随着传输距离的增加,涡旋光束扩散现象明显,最终退化为普通高斯光束; 波长越长,则涡旋光束抑制湍流能力越强,环形光强越强,相位畸变程度会得到逐步改善; 拓扑荷数越小,涡旋光束会最先退化为普通高斯光束,相位畸变程度越弱。该结果对于研究涡旋光束在自由空间光通信中的传输是有帮助的。