湍流对椭圆偏振激光传输中偏振特性的影响分析EI北大核心CSCD

根据推广的惠更斯-菲涅耳原理和Rytov相位结构函数二次近似,推导出高斯-谢尔模型光束在湍流大气传输中交叉谱密度矩阵的表达式,研究了湍流对椭圆偏振高斯-谢尔模型光束传输中的偏振特性影响,并与部分偏振高斯-谢尔模型光束进行了对比分析.结果表明,相对于部分偏振高斯-谢尔模型光束,椭圆偏振高斯-谢尔模型光束在湍流大气传输中偏振度、方位角以及椭圆度的变化受湍流的影响较小.同时得到椭圆偏振高斯-谢尔模型光束在湍流大气斜程传输中偏振度的变化幅度比部分偏振高斯-谢尔模型光束的小,而方位角和椭圆度的变化幅度比部分偏振高斯-谢尔模型光束的大.     

光源参数及大气湍流对电磁光束传输偏振特性的影响

根据光束扩展理论,以部分相干的电磁高斯-谢尔光束为研究对象,分析了电磁光束传输时其偏振特性的变化机理.结果表明,光源参数和大气湍流对电磁光束分量扩展的影响是导致传输过程中电磁光束偏振特性变化的原因.在真空中传输时,电磁光束两分量的相干性存在差异,导致传输时电磁光束两分量扩展快慢不同,从而引起传输路径上光束谱偏振度的变化.在大气湍流中,电磁光束两分量扩展的快慢与光源参数和大气湍流强度均有关,当传输路径较短时,电磁光束偏振变化主要与光源参数有关,变化特性与在真空中传输时的情况类似,而传输距离较远时,电磁光束偏振变化受大气湍流的影响明显,变化特性与在真空中传输时的情形存在不同.     

海洋湍流中的量子高斯-谢尔光束偏振模型

研究湍流对海水光通信信道中传输的量子高斯-谢尔光束偏振度的影响.运用量子化场的惠更斯-菲涅尔原理,构建湍流海水中量子化高斯谢尔光束的产生和湮灭算符.基于海水折射率的空间功率谱,导出了量子高斯-谢尔光束的偏振度.数值结果表明:在参数给定条件下,温度与盐度的比值从-4.5变化到-0.5时,偏振度从0.75下降到0.20;接收光子数从20提高到50时,偏振度从0.91提高到0.96;光源横向尺寸从0.02m增大到0.12 m时,偏振度从0.82提高到0.97;温度起伏对偏振度的影响高于盐度起伏的影响;提高发射光子数和增大发射孔径是扼制湍流干扰的有效方法.     

海洋湍流中的量子高斯-谢尔光束偏振模型（英文）

研究湍流对海水光通信信道中传输的量子高斯-谢尔光束偏振度的影响.运用量子化场的惠更斯-菲涅尔原理,构建湍流海水中量子化高斯谢尔光束的产生和湮灭算符.基于海水折射率的空间功率谱,导出了量子高斯-谢尔光束的偏振度.数值结果表明:在参数给定条件下,温度与盐度的比值从-4.5变化到-0.5时,偏振度从0.75下降到0.20;接收光子数从20提高到50时,偏振度从0.91提高到0.96;光源横向尺寸从0.02m增大到0.12m时,偏振度从0.82提高到0.97;温度起伏对偏振度的影响高于盐度起伏的影响;提高发射光子数和增大发射孔径是扼制湍流干扰的有效方法.     

部分相干电磁光束的光谱交叉偏振度

基于光谱交叉偏振度新理论,研究了部分相干光束在传输过程中光谱交叉偏振度的变化情况.采用相干偏振统一理论和广义惠更斯-菲涅耳原理,推导部分相干电磁高斯-谢尔模型光束在自由空间传输时任意空间两点的交叉谱密度矩阵的解析式.研究表明,光谱交叉偏振度的值不再仅仅局限在0～1之间,而是可为任意的非负值.传输场中的光谱交叉偏振度与光源相关参量,初始偏振度和传输距离紧密相关.当光束经过足够长的传输距离后,轴上光谱交叉偏振度不再发生变化,而是趋向一个稳定值.保持光谱交叉偏振度不变的条件与一般偏振度相同.     

大气湍流对部分相干电磁平顶光束传输的影响

基于相干性和偏振性统一理论,采用Rytov相位结构函数平方近似推导出了部分相干电磁平顶光束在湍流大气中传输的偏振度、相干度和光谱强度公式,并研究了湍流对其传输特性的影响.研究表明,偏振度和相干度与源光谱的带宽无关.大气湍流使得不同阶数的部分相干电磁平顶光束的偏振度经长程传输后均趋于其初始值.大气湍流使得部分相干电磁平顶光束与电磁高斯-谢尔模型光束相干度的差别减小,并导致相干度的振荡和相位奇异现象消失.大气湍流使得相干性较好的部分相干电磁平顶光束的光谱跃变现象消失.     

大气湍流中部分相干光束上行和下行传输偏振特性的比较

以部分相干的电磁高斯-谢尔模型(electromagnetic Gaussian-Schell model, EGSM) 光束为研究对象, 根据相干和偏振的统一理论以及随机光束的Stokes参量, 推导出EGSM光束在大气湍流中斜程传输时的偏振度(degree of polarization, DoP)和偏振方向角的表达式, 研究了大气湍流中上行和下行传输时EGSM光束偏振特性的不同. 研究结果表明: 在相同条件下, EGSM 光束下行传输时整个光场DoP的分布比上行传输要集中; 下行传输时轴上点的DoP达到最大值所对应的传输距离长于上行传输. 可以看出, EGSM光束沿下行路径传输时, 探测器可以接收更远距离处的波束传输信息.     

大气湍流对部分相干电磁平顶光束传输的影响

基于相干性和偏振性统一理论,采用Rytov相位结构函数平方近似推导出了部分相干电磁平顶光束在湍流大气中传输的偏振度、相干度和光谱强度公式,并研究了湍流对其传输特性的影响.研究表明,偏振度和相干度与源光谱的带宽无关.大气湍流使得不同阶数的部分相干电磁平顶光束的偏振度经长程传输后均趋于其初始值.大气湍流使得部分相干电磁平顶光束与电磁高斯一谢尔模型光束相干度的差别减小,并导致相干度的振荡和相位奇异现象消失.大气湍流使得相干性较好的部分相干电磁平顸光束的光谱跃变现象消失.     

高斯-谢尔模光束在大气湍流中传输的相干特性研究

文章分析了高斯-谢尔光束在大气湍流中传输时相干长度的变化, 并与真空传输做比较, 真空传输相干长度的变化只与光源参数有关, 大气湍流中传输相干长度的变化受光源参数和湍流的共同影响. 真空传输光束扩展造成相干长度增大; 大气湍流中, 传输距离较短时, 相干长度由于光源扩展而增加, 当传输距离较大时, 湍流效应增强引起相干长度下降. 因此, 单纯从相干长度方面分析大气湍流带来的影响不够完备. 为排除光源扩展影响, 利用相干长度与光斑尺度的比值进行分析, 发现大气湍流会造成比值的下降. 在数值仿真的基础上对上述结果给出了解释. 关键词： 部分相干 大气湍流 高斯-谢尔模 光束扩展     

光阑对偏振高斯-谢尔模型光束偏振特性的影响（英文）

根据广义惠更斯-菲涅尔原理和Collins公式,基于复高斯函数展开法,推导出椭圆偏振的高斯-谢尔模型光束经过矩形光阑衍射后的交叉谱密度公式,结合斯托克斯矢量理论推导了椭圆偏振高斯-谢尔模型光束在接收平面的光强、偏振度、方位角和椭圆度的表达式,数值分析了光阑的孔径遮拦比对光强、偏振度及方位角和椭圆度的影响.结果表明,光阑的孔径遮拦比在近场区对经过光阑后椭圆偏振高斯-谢尔模型光束的光强和偏振特性有显著影响;随着传输距离的增大,光强和偏振特性受孔径遮拦比的影响减小,光强和偏振特性变化平稳.     

湍流大气中斜程传输部分相干光的光束扩展

运用维格纳分布函数与广义惠更斯菲涅耳原理,推导出部分相干光束在任意折射率起伏功率谱模型的大气湍流中斜程传输时,其束宽传输的一般解析表达式。在此基础上,以部分相干平顶(PCFT)光束为例,给出了PCFT光束在大气湍流中斜程传输的束宽扩展解析表达式。在合肥地区大气折射率结构常数高度分布模式下开展了数值计算和分析,并与水平传输时的结果进行了比较。研究结果表明,光束在斜程传输时的束宽不仅与光束阶数、空间相干度、束腰半径、湍流的强弱和传输距离有关,还与天顶角密切相关。光束的阶数越高,空间相干性越差,天顶角越小,则其束宽扩展受湍流的影响就越小。当天顶角小于60°时,大气湍流对斜程传输光束束宽的影响明显小于水平传输的情况。     

Polarization fluctuations of partially coherent Hermite–Gaussian beams in a slant turbulent channel

The propagation of a partially coherent Hermite–Gaussian beam in a slant turbulent channel is studied. The analytical formula for the quantum degree of polarization of a partially coherent Hermite–Gaussian beam is derived based on the quantum Stokes operators and the generalized Huygens–Fresnel principle. It is shown that the zenith angle slightly affects the polarization degree of partially coherent Hermite–Gaussian beams, and the changes of polarization degree are affected by the coherence length, the detection photon-number and the ground refractive index structure parameter. Furthermore, the numerical simulations show that a partially coherent Hermite–Gaussian beam with bigger coherence length, higher photon-number level, lower beam order, shorter wavelength is less affected by the turbulence. These results indicate that one can choose the partially coherent Hermite–Gaussian beam with bigger coherence length, lower beam order, shorter wavelength, higher detection photon-number and set the size of transmitting aperture w₀$w_0$ as about 0.065 m to improve the performance of a polarization-encoded free-space quantum communication system.     

部分相干双曲正弦高斯光束的M~2因子与湍流距离

基于广义惠更斯-菲涅耳原理和维格纳分布函数方法,推导出了部分相干双曲正弦高斯(ShG)光束在湍流大气中M2因子的解析表达式。在此基础上研究了部分相干ShG光束的湍流距离,即湍流引起的光束扩展可忽略的范围。采用Von Karman谱分别对M2因子和湍流距离进行了数值计算,并分析了内外尺度的影响。研究表明:M2因子随束腰宽度和离心参数的增加存在极小值;湍流距离随束腰宽度的增加存在极大值,随离心参数的增加而增加,大气湍流对离心参数较大的光束影响较小。另外,M2因子和湍流距离与折射率结构参数、内尺度、外尺度、波长和相干参数等密切相关。     

拉盖尔-高斯光束在湍流大气中的螺旋谱特性

研究了拉盖尔-高斯光束在湍流大气中的传输特性.在利托夫近似下,得到接收孔径处光束的螺旋谱的积分表达式.通过数值仿真得出大气湍流对光束螺旋谱的影响以及光束螺旋谱随各参数值的变化特性.仿真发现大气湍流会使螺旋谱发生弥散.而且随着拓扑荷,接收孔径半径,折射率结构函数及距离的增加,螺旋谱弥散加剧.经拟合得到描述螺旋谱弥散程度的无量纲方差V随距离成6次函数关系;与接收孔径半径及折射率结构函数成二项式关系;而与拓扑荷呈11次多项式关系.最后得出径向指数,束腰半径对螺旋谱的影响非常小,并且根据此结论推出光 关键词： 拉盖尔-高斯光束 大气湍流 螺旋谱 无量纲方差     

锥形太赫兹量子级联激光器输出功率与光束特性研究

针对锥形太赫兹量子级联激光器, 利用有限差分波束传播法和速率方程法, 建立了准三维的太赫兹有源器件仿真模型, 能够对具有轴向非线性波导结构的激光器进行模拟. 利用此模型, 研究了锥角大小对激光器输出光功率及光束质量的影响. 仿真结果表明, 考虑到器件之间的光耦合效率, 为了达到最大的有效输出光功率, 锥形太赫兹量子级联激光器的锥角存在一个最优值.     

Propagation properties of radially polarized partially coherent beam in turbulent atmosphere

On the basis of the extended Huygens–Fresnel integral formula, analytical propagation formulae for radially polarized partially coherent beam propagating in turbulent atmosphere are derived, and some analyses are illustrated by numerical examples. It is shown that the structure constant of turbulent atmosphere and the initial coherence length have significant influence on the degree of polarization and coherence for radially polarized partially coherent beam.     

部分偏振部分相干光光栅衍射场的偏振特性和角相关研究

为了研究部分偏振部分相干光光栅衍射场的衍射特性.利用部分偏振部分相干光的光束相干-偏振(BCP)矩阵,推导出了部分偏振部分相干光通过任意偏振光栅后,衍射场的偏振度及场中衍射级次角相关的一般解析表达式.以部分偏振的高斯-谢尔模型光束(PGSM)为例,数值分析了偏振光栅TE和TM波的复振幅透过率、入射光束的光学参量对衍射场偏振度和场中各衍射级次的角相关的影响.计算结果表明,部分相干光透过偏振光栅后的其衍射光场是一非均匀、周期变化的部分偏振相干光场;场中对称级次的角相干值对应相等,且随衍射级次序数的增大而缓慢递减至零.     

Trapping two types of particles using a focused partially coherent elegant Laguerre-Gaussian beam

The radiation forces on a Rayleigh dielectric sphere induced by a focused partially coherent elegant Laguerre-Gaussian (ELG) beam are investigated by using the Rayleigh scattering theory. It is found that a focused partially coherent ELG beam with suitable mode orders can be used to trap a Rayleigh particle whose refractive index is larger or smaller than that of the ambient by varying its initial spatial coherence width. Therefore, one can use one optical-trap system to trap two types of particles with different refractive indices.     

Spreading of spatially partially coherent polychromatic beams in atmospheric turbulence

Taking the polychromatic Gaussian Schell-model (GSM) beam as a typical example of spatially partially coherent polychromatic beams, the spreading of polychromatic GSM beams in atmospheric turbulence is studied. The mean-squared width of polychromatic GSM beams in turbulence is derived by using the effective source and the strong fluctuation models. It is shown that the same result is obtained using both the models. The diffraction, atmospheric turbulence and beam polychroism result in a spreading of polychromatic GSM beams. If the scaling law fails, the spreading of polychromatic GSM beams increases with increasing bandwidth Γ, but the influence of Γ on the spreading of polychromatic GSM beams becomes small as the structure constant C_n² of the refractive index and spatial correlation parameter α increase. The spreading of polychromatic GSM beams increases as C_n² increases and α decreases. Spatially partially coherent polychromatic beams are less sensitive to the effects of atmospheric turbulence than spatially fully coherent polychromatic beams.     

Dependence of output power in modulated optical fiber ring resonator on nonlinear refractive index

Nonlinear dynamics in optical fiber ring resonators (OFRRs) can be applied to the estimation of the nonlinear refractive index of optical fibers. The output power of the OFRR becomes convergent, periodic, and chaotic with an increase in the input power. In this study, the dependence of the output power on the nonlinear refractive index is analyzed numerically. The critical input power at which the convergent state changes to the periodic state decreases smaller as the nonlinear refractive index increases. In addition, the maximum oscillation width of the output power decreases monotonically with the nonlinear refractive index. These dependences are sensitive to the parameters of the OFRR. The estimation of the nonlinear refractive index can be realized effectively using the maximum or minimum critical input power, and the maximum oscillation width of the output power even under a subtle fluctuation in the optical fiber ring length.