非柯尔莫哥诺夫湍流对部分相干双曲余弦高斯光束扩展的影响

基于非柯尔莫哥诺夫湍流模型,本文给出了部分相干双曲余弦高斯光束通过湍流传输的二阶矩束宽和相对束宽解析式,并研究了湍流参数(广义指数α、内尺度l0、外尺度L0)和光束参数(离心参数δ、相干参数β)对光束扩展的影响。研究表明:束宽随α的增大而先增大后减小,且在α=3.11处存在光束扩展极大值;束宽随l0的增大而减小,随L0的增大而略微增大(仅当α3.7时)。另外,束宽随δ的增大及β的减小而增大,但当δ越大和β越小时,光束扩展受湍流的影响则越小。     

湍流尺度和相干参数对传输光强的影响

文章利用交叉谱密度函数得到了部分相干光的光强表达式,利用该表达式分析了斜程大气传输中湍流内外尺度、光源相干参数、天顶角对接收光强的影响。结果表明:斜程大气传输过程中,光源相干参数ζs越大,接收光强受湍流内外尺度变化的影响越小。在传输距离小于4 km时,湍流内外尺度变化对接收光强的影响可以忽略不计。相干参数对小天顶角时的光强影响较大,随着天顶角的的增大,大气湍流对接收光强影响占主导作用,光源相干参数对接收光强的影响减弱。最后,对数值模拟结果给出了解释。     

部分相干光在大气湍流中的光束扩展及角扩展

基于广义惠更斯-菲涅耳原理、交叉谱密度函数,利用修正Von Karmon谱模型以及ITU-R颁布的大气折射率结构常数模型,推导出部分相干高斯-谢尔光束在大气湍流中传输时的束宽及角扩展表达式,讨论并对比斜程和水平两种传输方式下天顶角、传输距离、湍流强度、相干长度等参数对光束束宽与角扩展的影响,同时分别从相对束宽和相对角扩展的角度分析各种参数对于光束抑制湍流能力的影响,并给予相应的物理解释。结果表明:当天顶角小于 /3时,光束在斜程传输时的光束扩展和角扩展量接近于垂直传输,所受湍流影响很小。传输距离大于1 km时,束宽和相对束宽随传输距离的增加而明显增加。光束相干长度越大,光束所受湍流影响越大,而束宽及角扩展会随之减小。     

非Kolmogorov大气湍流对高斯谢尔模型光束光谱变化的影响

基于非Kolmogorov谱模型,利用广义惠更斯-菲涅耳原理,推导出了高斯谢尔模型(GSM)光束在非Kolmogonov大气湍流中光谱的解析表达式,并用其研究了非Kolmogorov大气湍流对GSM光束光谱变化的影响。结果表明,GSM光束在非Kolmogorov大气湍流中传输时有光谱移动(蓝移和红移)和光谱跃变发生。光谱跃变的发生与离轴距离r、广义指数参量α、广义结构常量C_n~2、湍流内尺度l_0、湍流外尺度L_0和传输距离z有关。随着广义指数参量α的增大、湍流内尺度l_0的增大及广义结构常量C_n~2的减小,光谱跃变量△减小,光谱跃变临界位置z_c增大。该研究工作可为自由空间光通信等实际应用提供理论模型和计算依据。     

吉赫兹高功率全光纤超连续谱激光光源

<正>超连续谱光源是一种特殊的光源,具有光谱宽、亮度高、空间相干性好等特点,在照明、通信、医学、军事等诸多领域具有广泛的应用前景。近几年,在突破了超短脉冲抽运源、抽运光耦合、普通光纤与光子晶体光纤低损耗熔接、高功率光纤激光器热管理等一系列关键技术难题之后,高功率超短脉冲光纤激光超连续谱研究进展显著。评价超连续谱指标参数除了功率、光谱宽度之外,还有一个参数——平坦度,平坦度从某种意义上说是描述超连续谱谱宽范     

大模场光子晶体光纤中超连续谱的产生与控制

探索利用大模场光子晶体光纤产生大功率、高光束质量的超连续谱。采用分步傅里叶方法求解广义非线性薛定谔方程(GNLSE), 模拟了光脉冲在大模场光子晶体光纤中非线性传输和超连续谱的产生过程。着重分析了光子晶体光纤长度和抽运脉冲的峰值功率、啁啾等对超连续谱产生的影响, 讨论了大模场光子晶体光纤中光谱的非线性展宽机制。发现可将超连续谱产生过程分为初始展宽、剧烈展宽和饱和展宽三个阶段。合理选择光纤长度, 使产生的超连续谱处于剧烈展宽阶段时输出, 既能够得到较宽的光谱, 又能够保证较高的效率。抽运峰值功率对超连续谱的产生有重要影响, 当输入功率较小时, 脉冲的频谱成对称展宽, 仅有自相位调制(SPM)效应起作用, 其他高阶效应的影响都很弱。随着脉冲功率的增加, 频谱短波方向变化较小, 光谱向长波方向展宽。同时, 脉冲时域出现振荡调制, 振荡的起因与光波分裂现象有关。抽运光初始啁啾对超连续谱的产生也有重要影响。当啁啾为正时, 啁啾量的大小对产生超连续谱的影响较小, 蓝移方向基本没有影响, 而红移部分能量随着啁啾量的增大向长波方向转移, 超连续谱总的宽度变化较小; 当啁啾为负且满足一定条件时, 其中的非线性作用得到增强, 有利于光谱展宽。     

203W2～2.5mm光谱平坦型超连续谱激光光源

正超连续谱(SC)激光光源在生物医学、光谱学、计量学和环境科学等领域有重要应用前景,特别是光谱特征与大气传输窗口相匹配的超连续谱激光光源,在自由空间通信、大气遥感、环境监测等与大气传输相关的应用领域中尤为重要。近年来,在短波红外光谱成像领域,2~2.5μm超连续谱激光光源作为主动照明光源逐渐受到人们的重视,推动了国内外多家科研机构对该波段内高亮度相干超连续谱激光光源的不懈研究。     

超连续谱激光大气传输特性研究进展

随着超连续谱激光技术水平的发展,超连续谱激光在大气传输中的应用越来越广泛。在实际应用中,大气与超连续谱光波相互作用,导致光强衰减、光传播方向偏折及光斑特征变化等,这些大气传输效应对超连续谱激光应用的影响是两方面的,一方面既影响了超连续谱激光的能量传输和成像效果,另一方面可以利用大气对超连续光谱的吸收特性进行大气多成分的同时测量。因此,只有在充分研究超连续谱激光的大气传输特性基础上才可能更好地开展超连续谱激光的应用研究。本文从目前超连续谱激光技术、超连续谱激光的空间相干特性、大气对超连续谱的吸收和湍流效应影响等方面介绍了超连续谱激光大气传输研究的现状,提出了应进一步深入研究的问题,并对未来的工作予以展望。     

基于光子晶体光纤的百瓦超连续谱的产生

为得到脉冲宽度为12ps、中心波长为1064nm的高功率超连续谱,提出了一种全光纤结构的超连续谱光源。将该光源作为抽运源,其输出功率在芯径为10mm的掺镱光纤中被放大至189 W。利用窄带滤波器、级间隔离器对脉冲信号进行放大,将放大后的脉冲信号注入长度为0.5 m的光子晶体光纤,产生了光谱范围为460~1700nm、输出功率为102.8 W的超连续谱。由于存在量子亏损和光谱传输损耗,当抽运功率从1.5 W提高至189 W时,超连续谱光-光斜率效率从90%降低至20%。     

高斯光束的光谱传输特性分析

为了研究光束的光谱传输特性,根据广义惠更斯-菲涅耳原理,推导了高斯光束光谱经自由空间和湍流大气传输的表达式,并以中心频率为1.78×1015rad/s、谱宽为8.39×1013rad/s的高斯光束为例进行了数值分析。结果表明,高斯光束传输过程中,z轴附近光谱存在少量蓝移,离轴距离增大到约为0.5w(z)时,光谱由蓝移变为红移,湍流效应对离轴较远点的谱移现象有比较明显的抑制作用,而增大源光谱的带宽,则会使谱移现象更显著;计算1.78×1015rad/s和1.75×1015rad/s两束单色光传输5000m时传输截面上的光强分布发现,对于某个横向位置,源光谱中心频率激光的强度会比某个其它频率激光的强度小,产生传输截面上的谱移现象,谱移现象随各参量的变化规律可由高斯光束的束腰变化规律和湍流效应对光束的展宽效应进行解释。     

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,HGV光束的传输 光强将由空心分布逐步演化为高斯分布,且拓扑荷数越大、束腰半径越小、波长越长的HGV 光束的光强受各向异性大气湍流影响越小;当湍流的各向异性系数、广义指数和内尺度越大 ,以及外尺度与结构常数越小时,HGV光束的传输光强随传输距离的演化会减慢,表明HGV光 束在较弱的各向异性non-Kolmogorov大气湍流中传输时光强分布受到湍流的影响较小。     

斜程大气湍流中成像系统分辨率的影响因素研究

大气湍流是影响光学成像系统分辨率不可避免的因素之一。为了研究大气湍流内外尺度、湍流轮廓线及探测高度对光学成像系统分辨率的影响,根据光学成像系统积分分辨率理论及修正Von Karman湍流谱,推导了斜程传输路径下考虑湍流内、外尺度的光学成像系统的分辨率积分公式。数值计算中应用ITU-R公布的随高度变化的大气折射率结构常数模型,结果表明:湍流内尺度对光学成像系统分辨率的影响要远小于湍流外尺度对分辨率的影响,而湍流内尺度又限制着外尺度对光学成像系统分辨率的影响;斜程传输时,湍流轮廓线的影响大于外尺度对积分分辨率的影响;光学成像系统分辨率在近地面受近地面大气结构常数的影响大,而当高度大于5 000 m时,光学成像系统分辨率受风速的影响大。     

耗散孤子和束缚态脉冲可切换的超连续谱产生

当超短脉冲进入高非线性光纤时,在色散和非线性效应的共同作用下,脉冲频谱中会产生一些新的频率分量,使得输出频谱比输入频谱宽得多。这种光谱被称为超连续谱。超连续谱光源具有光谱范围宽、方向性好、亮度高、空间相干性好等优点。在锁模激光器中,传统孤子、耗散孤子和类噪声脉冲可以作为种子源产生超连续谱。文中,笔者建立了一个NPR被动锁模光纤激光器来产生脉冲激光。然后,添加一段DCF以补偿腔中的色散,从而产生耗散孤子。同时,通过调节腔内PC,可以实现束缚态和耗散孤子的状态切换。输出脉冲经10 m单模光纤压缩后注入部分拉锥后的高非线性光纤以产生超连续谱。实验中,我们得到了脉宽为5.6 ps、重复频率为32 MHz、信噪比为52 dB的耗散孤子锁模脉冲,压缩后的脉冲宽度为868 fs,用作超连续谱产生。超连续谱的覆盖范围约为1200~2200 nm,其20 dB谱宽为357 nm。通过调节偏振控制器,实现耗散孤子脉冲与束缚态脉冲之间的切换,束缚态脉冲持续时间为1.4 ps,脉冲间隔为14 ps,信噪比为51 dB,产生1600~1870 nm的超连续光谱,20 dB的光谱宽度为135 nm。     

强湍流效应下光束漂移特性的数值分析

为研究强湍流效应下大气湍流外尺度与内尺度对高斯波束光斑漂移特性的影响,首先利用修正的von Karman谱,分别推导出高斯光束在聚焦和准直条件下传输的光束漂移方差表达式,并且利用实验数据进行验证;进而根据所推导的光束漂移表达式,利用数值分析方法,对不同内外尺度条件下的光束漂移特性进行研究。研究结果表明外尺度的增大会加强光束漂移效应,而内尺度的变化对光束漂移特性无显著影响。     

光子晶体光纤产生紫外超连续谱的数值研究

提出了一种基于高非线性氟化镁光子晶体光纤产生紫外超连续光源的方法。采用分步傅里叶法求解光纤的非线性薛定谔方程,基于光子晶体光纤数值模拟了扩展到紫外波段的超连续谱的产生;通过分析光纤结构参量与泵浦光源参数对紫外超连续谱产生的影响,得出了光纤长度、色散参量以及泵浦脉冲峰值功率、初始脉冲宽度对超连续谱光谱宽度的影响规律。研究发现:当光子晶体光纤长度为8 cm、脉冲中心波长为450 nm、峰值功率为3.1 kW、初始脉冲宽度为40 fs时,可获得展宽至紫外的超连续谱,范围为279.6～769.0 nm。     

非Kolmogorov湍流对高斯-谢尔光束的瑞利区间和湍流距离的影响

推导出了高斯-谢尔(GSM)光束通过非Kolmogorov湍流大气传输的瑞利区间zR和湍流距离zT解析表达式,并研究了湍流参量(广义指数α、内尺度l0及外尺度L0)对部分相干光扩展的影响。研究表明,随着α的增大,zR先减小而后增大,且在α=3.11处时存在极小值,即光束扩展的极大值。zR随L0的减小而增大(仅当3.6α4时);zR随l0的增大而增大。当α3.11时,α越大,l0对于zR的影响越小。值得指出的是:若相干参数β或束腰半径w0较小时,不论α取何值,在瑞利范围之内,湍流大气对光束扩展几乎不构成影响;相反,β或w0取较大值,不论α取何值,在瑞利区间范围内湍流大气对光束扩展都会产生明显的影响。此外,若β或w0取值在一定范围内,湍流大气是否能在瑞利区间范围内对光束扩展构成影响将与广义指数α相关。     

利用超连续谱激光实现自由空间光通信

超连续谱光源具有丰富的带宽,是信号载体的优秀候选者。设计并搭建了利用超连续谱光源的空间无线光通信系统,讨论了超连续谱产生的条件以及输出光斑直径不同位置下的光谱。采用了电光调制方式对超连续谱光源进行调制,通过比较输入与输出的数字方波信号证明了电光调制进行超连续谱空间光通信的可行性。成功利用该系统演示了对原始图像信号的采集和显示,最后通过对接收端信号的整形放大恢复出了原始信号,实现了图像信号在4 m范围内的传输。实验结果表明:将超连续谱作为光信号载体,在空间大气信道条件下可以实现对图像信号进行无线传输。     

湍流对部分相干环状光束空间相干性的影响

基于广义惠更斯一菲涅耳原理,并采用Rytov相位结构函数二次近似的方法,推导出了部分相干环状光束通过湍流大气传输时,其光谱相干度的解析公式,并研究了光束的空间相干特性.研究表明,部分相干环状光束通过自由空间传输时其光谱相干度会出现振荡和相位奇异现象,且光束遮拦比ε越大振荡越厉害.但是,随着湍流的增强,其振荡逐渐减弱直至消失,不同ε的光谱相干度曲线相接近,并呈类高斯分布.光束遮拦比ε越大的部分相干环状光束其空间相干性受湍流影响越小.此外,在自由空间中,若光束相干参数α较小,随ε的变化光谱相干度二阶矩宽度wc.可大于或小于其光谱强度二阶矩宽度wi,且临界值ε0随α的增大而增大;随着α的增大,则无论ε取何值都有wc＞wi.然而,当湍流增强到一定程度,总是有wc＜wi.     

斜程湍流大气中矢量涡旋光束的OAM特性研究

基于螺旋谱理论推导出矢量涡旋光束在斜程大气湍流传输中的轨道角动量(orbital angularmomentum,OAM)谱,讨论了修正Kolmogorov大气湍流对不同阶矢量涡旋光束光场分布及光束OAM谱的影响。利用旋转毛玻璃作为随机相位屏,实验采集了矢量涡旋光束通过旋转毛玻璃后的光强图像与归一化强度。结果表明:经大气湍流斜程传输后,矢量涡旋光束的光强分布产生畸变且OAM谱发生弥散,OAM谱弥散程度随传输距离的增大而增大。传输距离不变时,天顶角越大,主OAM模相对功率越小,湍流内尺度减小与折射率结构常数增大均会导致主OAM模相对功率减小。同一传输路径下,随着湍流强度的增大,矢量涡旋光束中心相位奇点的强度逐渐增大,并且拓扑荷不变时,偏振阶数高的矢量涡旋光束受到的湍流影响较小。     

光纤超连续光源的实验研究

从光纤中产生超连续谱(SC)的物理机制出发,对各种非线性效应、光纤参数以及泵浦脉冲参数对SC谱特性的影响进行了简要的理论分析.实验中,利用非线性偏振旋转被动锁模光纤激光器输出的1.5 ps超短脉冲作为泵浦源,无需压缩直接泵浦不同色散特性和长度的光纤,完成超连续谱的产生和谱切片实验.实现20 dB谱展宽大于450 nm,长波段扩展到14780 nm以上(受测试仪器限制),在百纳米范围段的不平坦度<(0.25 dB,达到国内最好水平.