径向偏振部分相干扭曲光束在各向异性大气湍流中的传输特性

本文推导径向偏振部分相干扭曲光束(RPPCTB)在各向异性大气湍流中传输因子和空间扩展的解析表达式,主要分析扭曲因子等光束参数及各向异性因子等大气湍流参数对光束传输特性的影响,通过相应的数值模拟计算分析初始相干长度、束腰宽度、波长、扭曲因子、各向异性因子、湍流内尺度、湍流外尺度和广义指数参数对光束传输质量的影响.仿真结果表明,通过减小光束的初始相干长度,增加束腰宽度和波长,可以提高光束的传输质量,而增大光束的扭曲因子,光束有更小的传输因子,这表明通过合理地调控光束的扭曲相位,可以有效提高光束的抗湍流能力.     

湍流大气中部分相干波束的偏振特性研究

基于广义惠更斯-菲涅尔原理,计算了部分相干高斯-谢尔模型(Gaussian-Schell Model,GSM)光束在湍流大气中传输的交叉谱密度矩阵(Cross-Spectral Density Matrix,CSDM).假设发射机发出的波束为椭圆偏振光,由CSPM中的各元素来表示的斯托克斯参数得到了湍流中光束的偏振度(Degree of Polarization,DoP),并给出了椭圆率的表达式.通过Mueller矩阵研究了退偏理论,给出了描述波束退偏状态的退偏指数(Depolarization Index,DI)表达式.数值分析结果表明:波束波长,源相干长度,初始光斑尺寸,传输距离及湍流强度都会对波束偏振度,椭圆率及退偏指数造成影响.此研究可在大气光通信领域中应用.     

部分相干径向偏振扭曲光束在非均匀大气湍流中的传输特性

利用扩展的Huygens Fresnel原理以及维格纳分布函数(Wigner distribution function,WDF)的二阶矩理论,推导出部分相干径向偏振扭曲光束(partially coherent radially polarized twisted beam,PCRPTB)在非均匀大气湍流中的M2因子、空间扩展和角扩展的解析式。通过相应的数值模拟计算分析了初始相干长度、束腰宽度、波长、天顶角、扭曲因子、湍流内尺度等对光束传输质量的影响。研究表明具有扭曲相位的PCRPTB展现出更强的抗大气湍流的能力,且扭曲因子越大,光束抗大气湍流的能力越强。而且减小初始相干长度,增大束腰宽度,波长也可以有效降低PCRPTB在大气湍流中的相对M2因子,使光束具有更强的抗大气湍流的能力。研究还可以发现,PCRPTB在湍流内尺度与广义指数参数较大的大气湍流中以一个更小的天顶角传输,其相对M2因子更小,表明大气湍流对PCRPTB的影响更小。     

部分相干平顶光束在非Kolmogorov大气湍流中湍流距离的变化

为了说明部分相干平顶(PCFT)光束在非Kolmogorov(非K)大气湍流中湍流距离的变化,基于广义惠更斯-菲涅耳原理和利用相对M2因子定义的湍流距离,推导出部分相干平顶光束在非K大气湍流中传输的湍流距离的解析表达式。部分相干平顶光束在非K大气湍流中的湍流距离由非K大气湍流参数即广义指数参数、湍流内外尺度和部分相干平顶光束在z=0处的初始二阶矩即光束参数(包含光束阶数、波长、相干度以及束腰宽度)决定。研究结果表明,PCFT光束在非K大气湍流中的湍流距离随广义指数参数的增加先减小达到最小值后再增大,随部分相干平顶光束的阶数和波长的增加而增大,随光束相干性的减弱而增大,随光束束腰宽度的增加做先减小后增大的非单调变化。     

斜程大气传输部分相干平顶光束的空间相干度

为了研究不同天顶角、传输距离、光源相干性以及湍流外尺度对接收面光束空间相干度的影响,采用广义惠更斯-菲涅耳原理和相位结构函数的平方近似,并运用张量积分的方法,得到了部分相干平顶光束通过斜程湍流大气传输后接收面光束空间相干度的解析表达式.结果表明,传输距离较短时,该光束空间相干度随两点距离的增加出现振荡现象,而传输距离较长时振荡现象消失;当传输距离给定时,天顶角越大,光束空间相干度的有效宽度相对较短.初始相干长度较短的该类光束其空间相干度的宽度不随传输距离的增加而减小;长距离传输后,光束空间相干性与光束初始相干长度不再有关.     

部分相干电磁厄米-高斯光束通过湍流大气传输的偏振特性

采用相干性和偏振性统一理论,推导出了部分相干电磁厄米-高斯(EHG)光束在湍流大气中传输时偏振度的解析式,并给出了偏振度保持传输不变的条件。研究表明,部分相干电磁厄米-高斯光束的偏振度由大气折射率结构常数、光束相关长度、厄米多项式阶数、光束初始偏振度相关常数和观察点位置共同决定。经过足够长的传输距离后,光束的偏振度将趋于源平面处的初始值,并与光束相关长度、厄米多项式阶数以及湍流的强弱均无关系。电磁高斯-谢尔模型(EGSM)光束通过湍流大气传输时光束偏振度的变化作为所得结果的特例给出。     

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。     

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。     

弱湍流大气中部分相干涡旋光束的轨道角动量特性

根据轨道角动量谱理论,推导了部分相干拉盖尔-高斯光束轨道角动量态的功率表达式。分析了相干长度、束宽对轨道角动量的影响,讨论了弱湍流大气中部分相干-拉盖尔高斯光束轨道角动量特性。结果表明:部分相干拉盖尔-高斯光束在相干长度与束腰半径比值固定的情况下,其初始轨道角动量态相对功率不会随着束腰半径的改变而变化。在部分相干拉盖尔-高斯光束初始相干长度与束腰半径取值大小相同的情况下,随着束腰半径的增大,光束在弱湍流大气中传输1 km处的初始轨道角动量态相对功率减小。     

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。     

PCELG光束通过光阑传输后偏振度的研究

为了研究部分相干复宗量拉盖尔-高斯(PCELG)光束通过环形光阑后在湍流大气中传输时的偏振特性,基于拓展的惠更斯-菲涅耳原理,经理论推导,得出PCELG光束偏振度的解析表达式,并进行了相应的数值计算。结果表明,光阑的衍射效应将会造成PCELG光束偏振度振荡加剧的现象;当PCELG光束在湍流大气或自由空间中传输时,近轴处横向的偏振度有着剧烈的振荡,而在较远点处,其偏振度都是趋于1,且随着传输距离的增加,横向的偏振度趋于1时所对应的离轴距离也增大;当PCELG光束通过光阑后在自由空间中传输时,经过足够长的距离,偏振度将趋近于不同于初始偏振度的值,而在湍流大气中传输时,偏振度将趋近于初始偏振度。该结果对光束在大气中的传输及其应用具有实际意义。     

电磁空心光束在湍流大气中的斜程传输特性

利用扩展的Huygens-Fresnel原理以及维格纳分 布函数(WDF)的二阶矩理论,推导出电 磁空心光束(PCEHB)在非均匀湍流大气中传输的均方根空间扩展、均方根角扩展和M²因子的 解析式。并数值模拟和分析了天顶角、光束阶数、湍流内尺度、波长、束腰宽度、初始相干 长度和初始偏振度对光束质量的影响。研究结果表明,随着天顶角的减小和初始偏振度的增 加,PCEHB的相对均方根空间扩展、相对均方根角扩展和相对M 2因子越小,光束受湍流的影 响越小。且初始偏振度对相对M²因子的影响小于相对均方根空间扩展和均方根角扩展。M²因 子也随着天顶角的增加而增加,当天顶角大于1时对M²因子的影响迅速增加。研究还发现 , 相对M²因子随着光束阶数、湍流内尺寸、波长和束腰宽度的增加,相干长度的减小而减小 。相对M²因子受天顶角和束腰宽度的影响大于其他参数。     

斜程大气传输部分相干平顶光束的空间相干度

为了研究不同天顶角、传输距离、光源相干性以及湍流外尺度对接收面光束空间相干度的影响,采用广义惠更斯-菲涅耳原理和相位结构函数的平方近似,并运用张量积分的方法,得到了部分相干平顶光束通过斜程湍流大气传输后接收面光束空间相干度的解析表达式。结果表明,传输距离较短时,该光束空间相干度随两点距离的增加出现振荡现象,而传输距离较长时振荡现象消失;当传输距离给定时,天顶角越大,光束空间相干度的有效宽度相对较短。初始相干长度较短的该类光束其空间相干度的宽度不随传输距离的增加而减小;长距离传输后,光束空间相干性与光束初始相干长度不再有关。     

部分相干异常涡旋光束在大气湍流中的传输特性

研究了部分相干异常涡旋光束在湍流大气中传输时的光强特性和有效光斑尺寸。利用广义惠更斯-菲涅尔积分式推导了部分相干异常涡旋光束的互相干函数的表达式,并在此基础之上得到部分相干异常涡旋光束的光强和有效光斑尺寸的表达式。通过数值模拟分析了部分相干异常涡旋光束的归一化光强分布和有效光斑尺寸随空间相干长度和折射率常数的变化情况。研究结果表明:部分相干异常涡旋光束比完全相干异常涡旋光束受大气湍流的影响更小。而且随着空间相干长度的减小和大气折射率常数的增加,异常涡旋光束光强的中心点强度和有效光斑尺寸逐渐增加。     

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.     

水平大气传输中部分相干光的光强分布及 相干特性

利用光束的交叉谱密度函数得到了部分相干光的光强分布和相干长度的表达式, 并基于该表达式就光源不同 相干参数、不同湍流强度对部分相干光在水平大气传输中的光强分布和相干长度的影响效应进行了数值模拟, 且与 完全相干光进行了比较分析。研究结果表明: 在自由空间传输过程中光强分布主要受衍射引起的展宽影响, 光源相干 参数越大光束的相干长度值越大。在湍流大气中, 光源相干参数越大光强分布和相干长度受湍流大气强度变化影响 越小。随着湍流强度和传输距离的增加, 光束展宽效应增加, 同时由于湍流叠加效应导致光束的相干长度下降。     

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。