扭曲的涡旋光束在海洋湍流中的传输因子

基于扩展惠更斯-菲涅尔原理和维格纳分布函数(Wigner distribution function,WDF)二阶矩,推导了部分相干扭曲涡旋光束(partially coherent twisted vortex beam,PCTVB)在海洋湍流中传输时的M2因子和角扩展θ(z)。通过数值模拟方法详细研究了海洋湍流对光束M2因子和角扩展θ(z)的影响,结果表明温度方差耗散率ΧT和温度盐度贡献比w越大、动能耗散率ε和各向异性因子ξ越小时对PCTVB的M2因子和角扩展θ(z)的影响越大。此外研究发现,相较于非扭曲涡旋光束(PCVB),PCTVB有更好的抗海洋湍流的能力,且增大拓扑荷数m以及扭曲因子绝对值｜μ｜后,PCTVB的M2因子和角扩展θ(z)显著减小,光束的抗海洋湍流能力增强。并且增大束腰宽度w0和波长λ,以及减小初始相干长度δηη(η=x,y)同样可以增加光束抗海洋湍流的能力。本文的数值研究结果对海洋光通信具有重要意义。     

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.     

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。     

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...     

涡旋光束在大气湍流传输中光束质量分析

利用广义惠更斯-菲涅尔原理和维格纳分布函数(W DF)的二阶矩定义,导出高斯谢尔模型(GSM)涡旋 光束(拓扑荷数m=±1)与非涡旋光束在大气湍流和自由空间传输中光束传输 因子(M²因子)和角扩展的解析表达式, 并研究了大气湍流参数和光束参数对光束质量的影响。结果表明,GSM涡旋 光束在大气湍流中传输时,传 输距离z越小、结构常量C²_n越小、湍流内尺度l₀越大、空间相干长 度σ₀越小和波长λ越大时,归一化M²和归一化角扩展越小,受大气湍流影响越小,光束质量越好;与非涡旋光束相比涡 旋光束更合适 在大气湍流传输,更适合应用于大气激光通信。本文研究工作可为自由空间光通信和激光武 器等实际应用提供理论基础和实验依据。     

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。     

圆艾里高斯涡旋光在各向异性非Kolmogorov湍流大气中的传输

采用非均匀采样与功率谱反演法产生与湍流尺度相关的各向异性非Kolmogorov湍流随机相位屏,进而利用空间光调制器模拟研究圆艾里高斯涡旋光束在大气湍流中的漂移特性和轨道角动量态变化。数值模拟和光学实验结果均表明,圆艾里高斯涡旋光束的漂移值随光束衰减系数、光束主半径、大气湍流外尺度和传输距离的增大而增大,随湍流各向异性系数和光束拓扑荷值的增大而减小,并且在湍流幂律值为3.3附近有极大值。此外,通过对比圆艾里高斯涡旋光束经过大气湍流前后的干涉条纹图样,发现整数阶时拓扑荷值越小,光束经过湍流之后拓扑荷值稳定性就越好。     

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。     

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。     

高斯涡旋光束在增益和吸收介质中的传输特性

基于广义惠更斯-菲涅尔原理,推导出了高斯涡旋 光束在增益和吸收介质中场分布以及 光强的解析表达式,研究了高斯涡旋光束在增益和吸收介质传输中的光强分布、位相演化, 详细分析了波数实部kr、波数虚部ki和拓扑荷m对光束传输特性的影响。研究结果表明,波 数实部kr越大、拓扑荷m越大,高斯涡旋光束在传输过程中 光强衰减越慢,并且始终保持光 束空心分布的特性,具有很好地稳定性。波数虚部ki越大,光束在传输中表 现出的增益效应 越明显,波数虚部k_i越小,光束在传输中表现出的吸收效应 越明显。高斯涡旋光束的位相分 布受拓扑荷m影响明显,不同拓扑荷m的高斯涡旋光束在源处及传输过程中光 涡旋的数 目不同。本文的结论对于涡旋光束在材料领域的研究及其在实际中的应用具有重要意义。     

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。     

高阶相干涡旋和光涡旋的动态演化和传输轨迹

基于广义惠更斯-菲涅耳原理,以拉盖尔-高斯(LG,Laguerre-Gaussian)光束为例,详细研究了高阶相干涡 旋、高阶光涡旋在自由空间、大气湍流中的动态演化和传输轨迹。研究表明,拓扑荷为+m 的高阶相干涡旋在自由空 间和大气湍流传输中均演化为m个拓扑荷为+1的相干涡旋;高阶光涡旋在自由 空间传输中不分裂,且随传输距离的 增加高阶光涡旋的位置不发生变化;拓扑荷为+m的高阶光涡旋在大气湍流传输中演化为m 个拓扑荷为+1的光涡旋; 光场的部分相干性和大气湍流的扰动都会诱导高阶相干涡旋发生分裂。所得结论,在光涡旋 通信系统有潜在应用价值。     

高斯涡旋光束在斜程大气湍流中的轨道角动量特性

本文基于广义惠更斯-菲涅尔原理和大气湍流理论模型,推导了高斯涡旋光束在non-Kolmogorov大气湍流中斜程传输的螺旋谱解析表达式和光强表达式,并数值模拟了涡旋光束传输后螺旋谱和光强的分布规律,分析了各光束参数和大气湍流对螺旋谱弥散的影响。研究结果表明：随着传输距离增大,螺旋谱弥散越强烈,在增大到一定距离时,各螺旋谱分量逐渐趋于均匀分布,光强逐渐呈高斯分布。增大光束的初始拓扑荷数和波长可有效减小传输后螺旋谱的弥散程度;当天顶角逐渐增大到π/2时,传输方式为水平传输,螺旋谱弥散程度显著增大;近地面折射率结构常数越大、湍流内尺度越小,螺旋谱弥散越严重,而湍流外尺度对螺旋谱的影响程度很小。     

径向阵列艾里涡旋光在倾斜大气湍流中的漂移特性北大核心CSCD

采用等Rytov指数间隔多相位屏法来模拟径向阵列艾里涡旋光束(RAAVB)沿倾斜路径通过大气湍流时的光斑质心漂移。对比并分析了拓扑荷、天顶角、湍流外尺度和涡旋离轴距离对光束漂移的影响。结果表明:光束在倾斜大气湍流中传播时,相同条件下,CAAVB的漂移现象比阵列艾里光束受湍流影响更小;相比于天顶角和湍流外尺度,拓扑荷对光束漂移现象影响更大,光束漂移随拓扑荷的增大而减小,随天顶角和湍流外尺度的增大而增大;离轴型RAAVB的漂移现象比轴上型更严重,且漂移随着涡旋离轴距离的增大而增大。     

加载光学涡旋的多光束圆形Airy光束的产生与传输

通过对具有加载光学涡旋的圆形Airy光束传输性质的研究,理论分析了笛卡尔坐标系下,利用分区域法加载光学涡旋的多光束圆形Airy光束的产生,并通过傅里叶变换与角谱传输定理,理论模拟了该光束的传输特性,讨论了加载不同拓扑荷数光学涡旋对光束传输特性的影响。结果表明:拓扑荷数的大小对聚焦位置影响不大,但随着拓扑荷数的增加,焦平面上光束中心处的空心尺寸变大,并且光束的突然自聚焦强度降低。由于该研究具有同时产生并在多光束上加载不同拓扑荷数光学涡旋的优点,在光操控多微粒领域及激光治疗等领域具有潜在的应用价值。     

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,...     

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...     

部分相干光束在生物组织中的传输行为北大核心CSCD

基于广义惠更斯-菲涅尔原理,推导了部分相干拉盖尔-高斯(partially coherent Laguerre-Gaussian,PCLG)光束在生物组织传输中交叉谱密度函数的解析表达式,并研究了光束在小鼠真皮组织传输中归一化光强和相位演化受传输距离z、拓扑荷m和径向指数n、空间相干长度σ变化的影响。结果表明,随传输距离增大,光束光强逐渐减弱的同时,光强分布轮廓也由多峰状逐渐演变为单峰状;初始的m阶相干涡旋和n个圆刃型位错先演化成m+2n个相干涡旋,再新生m+2n个相干涡旋。此外,拓扑荷、径向指数、空间相干长度越大,光束的光强分布变化和相位演化越慢。     

部分相干径向偏振拉盖尔-高斯脉冲光束在大气湍流中传输的光谱移动和光谱开关

研究了部分相干径向偏振拉盖尔-高斯(partially coherent radially polarized Laguerre-Gaussian, PCRPLG)脉冲光束在大气湍流中传输时的光谱移动和光谱开关。研究发现,在湍流大气传输时,光束轴上点光谱因受湍流影响产生的双谱峰现象会发生跃变,湍流越强,光谱在跃变后相对谱移变化越稳定,而轴外点光谱在越强的湍流中相对谱移变化范围越小。研究还发现,适当增加脉冲宽度会明显减小大气湍流对光束轴上点和轴外点光谱移动的影响。在不同脉宽下,轴上和轴外点光谱均会出现光谱开关,且轴外点光谱会产生两次光谱跃变的独特现象。在固定的传输距离上,拓扑荷越大,轴上点光谱移动越小,近轴范围内光谱相对谱移的变化范围越小,此外,不同拓扑荷下光谱均会出现谱开关。相干度越大时,光谱的变化越稳定,轴外点光谱的光谱开关发生位置越远。本文的研究结果为多普勒激光雷达的应用提供理 论依据,PCRPLG脉冲光束本身具有较强抗湍流能力,且通过调控光束参数可以减小光束光谱移动。     

多高斯关联扭曲光束在GRIN光纤中的轨道角动量演化

轨道角动量(orbital angular momentum, OAM)的引入丰富了光通信领域内的调制维度,为寻找更高效快捷的通信方式提供了新思路,相较于传统携带涡旋相位的涡旋光束,部分相干扭曲光束携带的OAM性质更为复杂。本文针对椭圆多高斯关联扭曲光束在梯度折射率(gradient-index, GRIN)光纤中的OAM传输,基于GRIN光纤的ABCD光学传输矩阵,着重分析了多高斯关联扭曲光束在GRIN光纤传输的OAM的传输演化特性。研究结果表明,光束的光强、OAM通量密度以及归一化OAM通量密度在光纤传输过程中均呈现周期性变化,通过对关联结构以及扭曲因子的调控不仅可以改变光束OAM通量密度的分布,还可以调控单光子携带OAM的大小。本文的研究有助于丰富扭曲部分相干光束在GRIN光纤中传输的理论结果,在光纤通信中具有潜在的应用前景。