湍流对部分相干光光谱移动的影响

Wolf效应，即部分相干光除满足定标律之外，即使在自由空间中传输时其光谱一般也会发生变化，是一类著名的相关诱导光谱变化现象。以高斯-谢尔模型(GSM)光束作为部分相干光的典型例子，研究湍流对高斯-谢尔模型光束光谱移动的影响。基于部分相干光的传输定理，并考虑湍流的存在，推导出了高斯-谢尔模型光束通过湍流介质的光谱公式，并作了数值计算。研究表明，无论定标律是否满足，湍流都会影响高斯-谢尔模型光束的光谱。湍流越强，与无湍流情况比较光谱移动越大。特别是，若不满足定标律时轴外光谱还会出现分裂。高斯-谢尔模型光束在湍流介质中的光谱移动由光束的空问相干性、折射率结构常数Cn^2和位置等参量决定。     

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。     

GSM光束在负折射率介质中的传输特性研究

为了研究高斯-谢尔模型光束在负折射率介质中的传输特性,利用矩阵光学理论、衍射积分理论、相干偏振统一理论推导了高斯-谢尔模型光束通过负折射率介质中传输交叉谱密度方程的解析表达式,并利用该解析表达式得到了高斯-谢尔模型光束通过负折射率介质的谱密度和谱相干度。结果表明,高斯-谢尔模型光束的谱密度和谱相干度都可以通过负折射率介质的工作频率调控。此研究结果提供了一种新的调控光传输的方法和技术。     

部分空间和部分时间相干衍射高斯-谢尔模型脉冲光束在大气湍流中的光谱移动和光谱开关

基于非稳光场的相干光理论,研究了部分空间和部分时间相干高斯-谢尔模型脉冲光束在大气湍流中的光谱变化规律.给出了两者在大气湍流中的光谱传输公式.数值计算结果表明,由于光阑衍射效应的影响,光谱沿轴向、径向均出现蓝移或红移,随着相对传输距离z/z0、空间相干参数β和折射率结构常数C2n的增大,脉冲时间相干长度Tc的减小,轴向...     

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。     

基于广义Stokes参量的随机电磁光束偏振态传输特性

偏振光学中被广泛应用的Stokes参量已由单点甬数扩展到两点函数,并用于研究随机电磁光束的偏振度和相干度问题.广义Stokes参量成为部分相干光学研究的一个新的热点,正逐步成为与交叉光谱密度矩阵等价的研究方法.基于广义衍射积分公式,导出了广义Stokes参量通过轴对称或非对称光学系统的传输方程,并应用Stokes参量研究随机电磁光束中完全偏振部分的偏振态(包括偏振度、偏振椭圆的方位角、椭率角)变化问题.分析r随机电磁高斯-谢尔模型光束通过双焦系统的偏振态变化规律.     

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.     

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。     

部分相干脉冲光束的M2因子

研究了部分相干超短脉冲光束的M2因子。从时空维格纳分布函数出发,以高斯-谢尔(GSM)脉冲光束为例,导出部分相干超短脉冲光束的M2因子公式。给出了空间完全相干高斯脉冲光束和准单色高斯-谢尔脉冲光束的M2因子。由于受脉冲光束带宽及空间相关度的影响,高斯-谢尔脉冲光束的M2因子总是大于1。研究结果表明,M2因子随脉冲光束带宽的增大而增大,随空间相关度的增大而减小。此外,对于啁啾高斯-谢尔脉冲光束,M2因子还随啁啾参数的增大而增大。     

部分相干高斯-谢尔光束在大气湍流中的展宽与漂移

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（GSM）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光束展宽、以及光束漂移的影响。数值模拟表明:光束展宽和光束漂移与光束的初始半径、波长、光源的相干宽度以及发射机的位置高度有关,并提出了减小湍流影响的措施。     

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。     

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。     

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。     

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。     

湍流大气中J0相关部分相干平顶光束的谱移

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光谱特性,采用广义惠更斯-菲涅耳公式推导了J0相关部分相干平顶光束通过湍流大气的光谱分布表达式,分析了大气折射率结构常数、平顶阶数、光源的中心频率、相干性参量以及谱宽对谱移的影响。结果表明,光源的中心频率、光谱宽度、空间相干参量、湍流强度对轴上谱移量影响较大;另外,随着湍流的增强,光谱位移量减小;在自由空间中,平顶光束的阶数越高,对谱移的影响就越大,但在湍流大气中阶数对谱移几乎没有影响。     

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。     

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。     

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。     

部分相干月牙形光束在非Kolmogorov谱中的漂移

为了探究部分相干月牙形光束在非Kolmogorov谱中漂移的演化规律, 采用拓展Huygens-Fresnel原理, 得到了相应的解析表达式, 并运用MATLAB进行了数值模拟。结果表明, 在非Kolmogorov谱中, 部分相干月牙形光束的漂移分别随着各向异性参量的增大、湍流内尺度的增大、湍流外尺度的减小、结构常数的减小而降低; 与各向同性湍流相比, 各向异性湍流对漂移的影响较小; 月牙形光束的最大光强位置的离轴距离分别随着波长、光束阶数的增大而增大, 随着相干长度的增大而减小。月牙形光束由于最大光强位置的离轴特性, 有利于绕过障碍物传输, 所得结论对实际光通信有一定参考价值。