环形光束大气传输数值模拟与分析

为了研究大气湍流对环形光束激光工程应用的影响,采用多相位屏数值模拟的方法对环形光束在大气湍流中的传输进行了仿真模拟。通过改变大气湍流强度、传输距离等参数,定量计算了不同传输条件下质心漂移均方根、远场目标的焦平面平均功率密度,给出环形光束传输路径上特征距离解析式并分析了大气湍流对环形光束远场平均光强分布的影响。结果表明,环形光束在大气湍流中传输时光斑质心漂移随湍流效应（湍流强度或传播距离）增强而增大,远场光束质量随遮拦比增大而降低。遮拦比小于0.5时,大气湍流对光束质量的影响较为明显。环形光束大气传输数值模拟方法,可为高能激光武器等激光工程应用的理论分析和效能评估提供依据。     

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。     

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。     

环状光束沿斜程路径大气湍流传输的光束扩展

利用数值模拟方法,采用桶中功率为86.5%定义的环围功率束宽作为光束扩展的评价参数,研究了环状光束在大气湍流中沿斜程路径传输的光束扩展。研究结果表明,自由空间中遮拦比越大,远场光强旁瓣越明显。大气湍流造成光强旁瓣消失,且远场光强分布并不是高斯分布。光束扩展随着遮拦比和天顶角的增大而增大,大气湍流对光束扩展的影响也随天顶角的增大而增大。当遮拦比较大或较小时,湍流对光束扩展影响随遮拦比的增大而减小;当遮拦比中等大小时,湍流对光束扩展的影响几乎不随遮拦比而变化。与已有研究结果比较发现,按照桶中功率不同百分比定义的环状光束环围功率束宽受大气湍流影响规律是不同的,研究结果对实际应用具有意义。     

双曲余弦高斯光束在非Kolmogorov湍流中的湍流距离

为了研究双曲余弦高斯光束在非Kolmogorov湍流中的扩展,采用广义惠更斯-菲涅耳原理,推导出部分相干双曲余弦高斯光束在非Kolmogorov湍流中的湍流距离zt的解析表达式。对湍流参量(广义指数、内尺度l0、外尺度L0)和光束参量(相干参量、离心参量)对湍流距离的影响进行了理论分析。结果表明,zt随的增大而先减小后增大,且在=3.11处存在zt极小值;zt随l0和的增大而增大,随L0(仅当3.64时)和的增大而减小。这一结果对双曲余弦高斯光束在实际湍流中传输的相关应用是有帮助的。     

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。     

部分相干空心光束在非Kolmogorov湍流中的漂移特性

基于二阶矩理论以及非Kolmogorov湍谱,得到了 部分相干空心光束(PCDHB)在非Kolmogorov湍 流中光束漂移(BW)模型的表达式。研究了湍流参数(广义折射率结构参数C²_n,广义指数参数β,湍流内尺度l₀, 湍流外尺度L₀)和光束参数(束腰半径ω₀,相干长度σ₀,波长λ)对均方根光束漂 移(BWw)和相对光速漂移(BWr) 的影响。结果表明,PCDHB在非Kolmogorov湍流中的BW随着传输路径L_z 和广义指数参数的增 大而逐渐增大;并且,湍流强度和湍流外尺度越大,BWw越大;相干长度 越大,波长越小,BWr越大;当传输路径L_z 大于4km时,束腰尺寸越大,BWr漂移越大。 研究还表明,同样的条件下,随着传输距离 的增大BW和光束扩展受湍流的影响程度不同,随着传输路径的增大 ,湍流对光束扩展的影响越来越大。     

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。     

部分相干光束在大气湍流中传输的散斑特性

光束在大气湍流中传输时,大气湍流效应对光束进行强度和相位的随机调制,最终在远场处形成散斑。以部分相干高斯-谢尔模型（Gaussian-Schell Model,GSM）光束为研究对象,根据广义的Huygens-Fresnel原理、修正Von Karman谱模型,推导了GSM光束在大气湍流中传输时接收端光束的有效半径和平均散斑半径的表达式。利用数值计算对比分析光源相关参数和大气湍流对光束有效半径和平均散斑半径的影响。研究表明:光束的初始束腰半径越大、相干长度越小以及波长越小时,接收端光束的有效半径和平均散斑半径受湍流的影响越小;大气折射率结构常数越大,光束扩展越严重,此时平均散斑半径越小;光束有效半径和平均散斑半径随湍流外尺度增大几乎无变化,随湍流内尺度的增大而减小。所得出的结论对无线激光通信系统中光束的捕获、对准与跟踪（Acquisition,Pointing and Tracking,APT）系统的设计提供一个重要的参考价值。     

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。     

湍流大气中J0相关部分相干平顶光束的传输特性

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传输特性,采用广义惠更斯-菲涅耳公式得到了J0相关部分相干平顶光束通过湍流大气的平均光强分布,并利用空间2阶矩法得到了均方根束宽的解析表达式;分析了传输距离、相干长度、大气折射率结构常数、阶数对光强分布特性和光束扩展的影响。结果表明,J0部分相干平顶光束的阶数越高,相干长度越小,光束受湍流的影响就越小;改变光源的相干度可以使光束在湍流大气中的中心光强达到最大。     

电磁-高斯谢尔模型阵列光束在大气湍流中的传输特性

根据广义惠更斯菲涅尔原理与维格纳分布函数相 结合的方法,导出了电磁高斯谢尔模型阵列光 束(EGSMA Beams)在大气湍流中传输的均方根空间扩展、角扩展以及M²因子的解析式。(分析了其传输特 性与光束宽度、初始相干长度、阵列光束数量、初始偏振度、湍流内尺度以及折射率结构常 数的关系。)研 究结果表明相对M²因子随初始偏振度、初始相干长度和折射率结构常数的减 小,以及阵列光束数量、光束 宽度、和湍流内尺度的增大而减小,此时相对M²因子受大气湍流影响更小。当经过大约5km的传输距离 后,初始相干长度对相对M²因子的影响开始明显加大,且随传输距离增大而 增大。同时研究结果表明当阵 列光束数量增加越多时,相对M²因子越接近1。并且分析得出初始偏振度以及折射率结构 常数对相对M²因子的影响大于相对均方根空间扩展和角扩展。     

EEMGSM光束在各向异性湍流中的光束质量因子研究

为了探究矢量椭圆多高斯-谢尔模(EEMGSM)光束的传输特性, 基于广义惠更斯-菲涅耳原理和维格纳分布函数的二阶矩理论, 理论推导了EEMGSM光束在各向异性湍流中传输的质量因子解析表达式。通过数值计算和分析, 探究了初始偏振度、初始相干度、腰宽、波长和湍流结构常数等与质量因子的变化规律。结果表明, EEMGSM光束的质量因子随着阶数、波长和腰宽的增大而减小; 随着初始相干度和湍流结构常数的减小而减小; 在相同条件下, 具有大初始偏振度的EEMGSM光束的光束质量受各向异性的影响小于具有小初始偏振度的EEMGSM光束的光束质量; 且在相同条件下, EEMGSM光束的质量因子比标量椭圆高斯-谢尔模(EGSM)光束小, 即EEMGSM光束具有缓解各向异性湍流影响的优点。所得结论对于自由空间光通信的研究具有一定的理论参考价值。     

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。     

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.     

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。     

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。     

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。