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.     

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。     

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。     

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。     

圆形平顶高斯光束阵列在湍流大气传输中的M2因子

应用Wigner分布函数的二阶矩定义和拓展Huygens–Fresnel原理研究了圆形平顶高斯光束阵列在湍流大气传输中的光束性质,得到其传输质量因子（ 因子）的解析表达式,进行了相应的数值计算和模拟。结果表明：在湍流大气中传输时,圆形平顶高斯光束阵列的传输质量因子随传播距离、湍流大气结构常数的增大和束腰宽度的减小而增大;当光束阵列阶数一定,阵列个数不断增加时,其传输质量因子先保持不变,然后开始减小,最后不再减小,而保持这个定值不变;当光束阵列的个数一定,阶数不断增加时,其传输质量因子减小,最后不再减小而保持不变。在自由空间中传输时,圆形平顶高斯光束阵列的传输质量因子保持不变。     

部分相干平顶光束在大气湍流中空间相干性研究

采用Rytov相位结构函数二次近似的方法和广义惠更斯-菲涅耳原理,推导出了部分相干平顶光束通过大气湍流传输的空间相干度公式,研究了湍流对光束空间相干特性的影响.研究表明:部分相干平顶光束的空间相干性由大气湍流折射率结构常数、光束的相对空间相关长度、平顶光束的阶数、传输距离和观察点位置坐标等因素共同确定.部分相干平顶光束通过湍流大气传输时,其空间相干度会出现振荡和相位奇异现象,但随着湍流的增强,振荡减弱,直至振荡和相位奇异现象消失.     

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。     

大气湍流对部分相干激光瑞利区间影响的研究

为了研究部分相干双曲余弦高斯激光瑞利区间所受到的大气湍流作用的影响,采用解析分析和数值计算的方法,研究了自由空间中瑞利区间所受各种因素的影响,发现激光瑞利区间随光束相干强度、高斯束腰宽度和大气湍流内尺寸的增强而增大,随大气折射率起伏强度和激光波长的增加而减小。结果表明,湍流内尺寸对瑞利区间的影响较为显著,而湍流外尺寸对瑞利区间的影响作用有限,瑞利区间的大小取决于大气质量和激光本身特性。     

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。     

Spectral change of Jo-correlated partially coherent fiat-topped beam in turbulent atmosphere

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.     

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。     

截断光束在湍流中传输的光束质量

基于广义惠更斯-菲涅耳原理,推导出截断光束在湍流中的束宽解析表达式,并近似求解了湍流距离的表达式。利用光束束宽及湍流距离,研究了湍流对截断光束的光束质量的影响。研究发现截断光束在湍流中的扩展随传输距离的增大而增大。此外,湍流距离zT随截断参数啄和相干参数琢的增大而减小,即啄和琢越大,湍流对光束扩展的影响则越大,光束质量越差。本文对主要结果给出了相应的物理解释。     

湍流大气中部分相干双曲余弦高斯光束的M~2因子

基于广义惠更斯菲涅耳原理和维格纳分布函数的二阶矩方法,推导出部分相干双曲余弦高斯(ChG)光束在湍流大气中的束宽、远场发散角和M2因子的解析表达式。研究结果表明,部分相干ChG光束在湍流大气中传输时,均方根角宽度、M2因子和相对M2因子随着传输距离的增大而增大,且与束腰宽度、波长、离心参数、相干参数及湍流强度等有关;均方根角宽度随着光束离心参数的增大存在极小值。当传输距离较远时,随着离心参数的增大,M2因子存在极小值;离心参数较大的光束受湍流的影响较小。     

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,HGV光束的传输 光强将由空心分布逐步演化为高斯分布,且拓扑荷数越大、束腰半径越小、波长越长的HGV 光束的光强受各向异性大气湍流影响越小;当湍流的各向异性系数、广义指数和内尺度越大 ,以及外尺度与结构常数越小时,HGV光束的传输光强随传输距离的演化会减慢,表明HGV光 束在较弱的各向异性non-Kolmogorov大气湍流中传输时光强分布受到湍流的影响较小。     

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。     

大气湍流对高斯光束瑞利区间的影响

采用Andrews修正谱（M谱）,通过解析分析与数值计算研究了相干双曲余弦高斯光束在自由空间和中强度大气湍流中传输时瑞利区间的影响因素。 研究表明,大气湍流中激光束的瑞利区间明显小于在自由空间的瑞利区间;相干参数α、光束参数β、大气湍流内尺度l0及束腰宽度ω0的增加均利于激光束瑞利区间ZR的增大,而光束波长λ的增大及湍流强度C2n的增强将导致瑞利区间ZR的减小;此外瑞利区间ZR受湍流外尺度L0变化的影响较小,而受湍流内尺度l0变化的影响较大,表现出明显的尺寸效应。相关结果与相同条件下运用Von Karman谱计算得出的结论相一致。     

空心光束在非Kolmogorov湍流传输路径上的区域分割

为了研究空心光束在非Kolmogorov湍流传输路径上的区域范围与各参量之间的关系及不同区域内光束的扩展情况, 采用广义惠更斯-菲涅耳原理推导了空心光束传输于非Kolmogorov湍流中的二阶矩宽度、瑞利区间及湍流距离的解析式, 并利用湍流距离把传输路径分割为3个区域进行数值分析。结果表明, 区域Ⅰ、区域Ⅱ的长度及区域Ⅲ的起始点都随湍流广义指数α的增大而先减小再增大(当α=3.11时出现一个极小值), 且随遮拦比η和光束阶数M(及N)的增大而增大; M(及N)取值较小时(M(及N) < 3), 湍流在瑞利区间内对光束扩展造成的影响不能忽略, M(及N)和η越大, 越容易忽略湍流在瑞利区间内对光束扩展所构成的影响; 光束在传输路径上依次进入区域Ⅰ、区域Ⅱ及区域Ⅲ, 其光束扩展逐渐变得更加剧烈, 且随着M(及N)和η的增加, 区域Ⅱ长度和区域Ⅲ的起始点相较于区域Ⅰ的长度增加更为显著。该研究结果为空心光束传输于湍流中的相关应用提供了参考。     

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。     

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。     

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。