部分相干光在大气湍流中水平传输路径上的展宽与漂移

基于部分相干高斯谢尔模型(GSM)光束在强湍流中的光束扩展半径,利用Andrews和Philips经典漂移方差模型推导了部分相干光在中强弱大气湍流中水平传输的漂移方差表达式,讨论了部分相干光在中、强、弱大气湍流中的展宽和漂移特性。结果表明:部分相干光的光束扩展受湍流的影响比受完全相干光的影响要小,初始半径越小的光束受到湍流的影响越大。短距离传输时,不同波长引起的光束漂移差别很小,且随着初始光束半径的增大这种差别随之减小。传输距离大于2km时,中强湍流中光束漂移均与波长有关且强湍流区漂移量较为明显。传输距离在10km内,光束空间相干长度大于0.005m时,光源空间相干长度对漂移的影响很小。     

大气湍流尺度对部分相干光传输特性的影响

本文在考虑湍流内外尺度的情况下,对部分相干高斯谢尔模型光束在大气湍流中的传输特性进行了研究.主要采用考虑湍流内外尺度的修正Von Karmon谱模型,推导了部分相干光在大气湍流中的平均光强分布、光束扩展均方根束宽和漂移方差的解析式.对比分析了不同湍流强度情况下,湍流内外尺度对部分相干光在大气湍流中水平和斜程路径上传输特性的影响.结果表明:相同条件下,光束在大气湍流中传输时,沿斜程传输时的抗湍流能力强于水平传输;相比于大气湍流内尺度,大气湍流外尺度对光束漂移影响较大,外尺度对光束扩展与光强分布的影响较小,当湍流外尺度增大时,漂移现象会越来越严重;相比于大气湍流外尺度,湍流内尺度对光束扩展与光强分布的影响较大,当内尺度减小时,光束扩展现象越来越严重,光强分布也更分散,内尺度对漂移几乎无影响.     

偏振部分相干激光波束在湍流大气中传输的扩展和漂移(英文)

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-谢尔模型光束在外场不同距离水平传输时,光谱强度、束腰宽度及重心位置漂移的解析表达式.对偏振激光在大气湍流中传输时光束扩展和漂移进行数值仿真,得到相同传输距离下,偏振角、初始束腰及波长取不同值时,激光波束的扩展和漂移的变化情况.分析了相同偏振角度下,不同传输距离对光束扩展和漂移的影响.研究结果表明:大气湍流中偏振激光波束的扩展和漂移依赖于波束的波长、初始光束的偏振角和初始束腰;随着偏振角的变化,偏振部分相干激光波束的扩展和漂移关于45°呈现对称变化,当波束初始束腰小于或等于0.5mm时,大气湍流对波束扩展和漂移的影响明显.     

部分相干光在大气湍流中的光强闪烁效应

以修正Rytov方法为基础,利用部分相干高斯-谢尔(GSM)光束模型并结合Andrews的唯像闪烁模型,研究部分相干光在大气湍流中的光强闪烁效应。推导出适用于不同湍流情形的部分相干光对数光强起伏方差表达式,系统分析了部分相干光在大气湍流中的光强起伏方差。结果表明:在同等的湍流环境下,部分相干光比完全相干光的光强起伏方差要小;光束相干性越差,光强起伏越小,抗湍流能力越强。在不同大气湍流情形下,光源相干性、大气折射率常数等参数对光强起伏都有不同程度的影响。     

部分相干艾里光在大气湍流中的光束扩展与漂移

基于Andrews和Philips的经典漂移方差模型,结合部分相干艾里光的交叉谱密度函数和Tatarskii功率谱,推导出部分相干艾里光在大气中传输时的光束扩展和漂移解析式,对比分析了不同的衰减因子、湍流强度和相干度等参数对部分相干艾里光的光束扩展和漂移的影响,并与高斯光束所得结果进行了比较.研究表明:衰减因子、湍流强度和相干度等对光束漂移影响较大,当它们的取值增大时,漂移越严重;内尺度对光束漂移几乎没有影响;在相同的条件下,艾里光束的光束漂移要比高斯光束小两个数量级,且其本身具有自恢复特性和较强的抑制湍流特性.     

部分相干厄米高斯光束在斜程大气湍流中的扩展

基于广义惠更斯-菲涅耳原理,推导出部分相干厄米高斯（H-G）光束通过斜程大气湍流传输的均方根束宽和角扩展的解析表达式,并用以研究了传输路径和光束阶数对部分相干H-G光束传输的影响。引入相对束宽和相对角扩展来定量描述光束抗拒大气湍流的能力。结果表明:在相同条件下,部分相干H-G光束斜程传输受大气湍流的影响要小于水平传输,与水平传输相比斜程传输更有利于部分相干光束在大气湍流中的传输,光束阶数越大部分相干H-G光束受大气湍流的影响越小。     

TAGSM光束在大气湍流中传输

基于广义惠更斯－菲涅耳原理,利用部分相干光复曲率张量研究了有扭曲的各向异性高斯－谢尔模型光束在湍流大气中的传输规律.根据有扭曲的各向导性高斯-谢尔模型光束在大气湍流中传播距离z处的部分相干复曲率张量给出了光束参量的表达式和详细的数值计算结果.结果表明：大气湍流减缓了光束扭曲参量随传播距离的衰减趋势,增大了主方向上的波前曲率的峰值,而且大气湍流退化了光束的相干性,使得光束扩展严重;光源扭曲参量大小和相干性也都会影响TAGSM光束在大气湍流中传输时各个光束参量的变化规律.     

非Kolmogorov大气湍流对径向部分相干阵列光束瑞利区间和湍流距离的影响

基于广义的Huygens-Fresnel原理和非Kolmogorov谱模型,推导了无线光通信系统中径向分布部分相干高斯-谢尔模型阵列光束在非Kolmogorov大气湍流中传输时瑞利区间z_R和湍流距离z_T的解析表达式,对瑞利区间和湍流距离随湍流参量和光束参量的变化情况进行了数值分析.结果表明:不论是相干还是非相干合成,径向分布部分相干高斯-谢尔模型阵列光束的z_R和z_T均随湍流广义指数α的增大非单调变化,当α=3.11时,z_R和z_T取最小值,此时阵列光束扩展最大;相干合成比非相干合成的光束扩展要小,但其受湍流的影响更大;对于相干合成而言,径向分布半径r0越大,合成光束的z_R和z_T就越大,而非相干合成的z_R和z_T不受r0的影响;不论是相干还是非相干合成,阵列子光束数目对合成光束的z_R和z_T没有影响;当光束相干参量β足够小或波长λ足够大时,大气湍流对阵列光束z_R的影响可以忽略.     

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。     

部分相干涡旋光束通过大气湍流上行和下行传输的比较研究

基于广义惠更斯-菲涅耳原理,以高斯-谢尔模型(GSM)涡旋光束作为典型的部分相干涡旋光束,推导出GSM涡旋光束通过大气湍流斜程传输的平均光强、均方根束宽和交叉谱密度函数的解析表达式,并用以研究了大气湍流中上行和下行对GSM涡旋光束传输和对相干涡旋的影响.结果表明,在相同条件下,GSM涡旋光束下行传输受大气湍流的影响要小于上行传输,下行传输时相干涡旋拓扑电荷守恒距离要长于上行传输.对所得结果做了物理解释. 关键词： 部分相干涡旋光束 相干涡旋 大气湍流 上行和下行传输     

海面大气边界层中聚焦光束漂移各向异性的实验研究

 利用位置敏感型光电倍增管（PSPMT），设计了测量聚焦光束漂移的实验装置。该装置在80 mm的有效探测面内实现了2维位置信号的直接探测，空间分辨率可达1 mm，明显优于四象限探测器和阵列探测器，最高采样频率可达80 kHz，且动态范围很大，优于一般的成像器件。在近海岸海面上5 m处的大气边界层中进行了距离为1 000 m的聚焦激光传输实验。测量结果表明：聚焦光斑的质心漂移具有各向异性，水平方向光斑漂移幅度一般介于5.61 mm和14.83 mm之间，垂直方向光斑漂移幅度介于3.54 mm和7.3 mm之间，两者之比的平均值为1.69；水平方向和垂直方向的光斑漂移功率谱密度（PSD）在低频段也存在差异，垂直方向光斑漂移的PSD比水平方向光斑漂移的PSD下降速率更快。     

利用闪烁和漂移效应测量大气折射率结构常数的对比分析

 在近海面大气边界层中进行了1 km路径的水平光传输实验，结果表明：利用闪烁和漂移效应推导的大气折射率结构常数之间存在着较大的差异。定量的理论分析揭示了两者不一致的原因在于：闪烁效应主要对路径中部的小尺度湍涡敏感，漂移效应则对发射端附近的大尺度湍涡敏感；随着内尺度变大，漂移效应测量的折射率结构常数将大于闪烁效应测量的折射率结构常数，当内尺度达到20 mm时，前者的测量结果是后者的3倍；当外尺度变小时，漂移效应的测量结果小于闪烁效应的测量结果，当外尺度仅为1 m时，前者的测量结果为后者的1/2；大气折射率3维功率谱的幂律的变化对测量结果的影响非常大，当幂律大于-11/3时，闪烁效应测量的折射率结构常数大于漂移效应测量的折射率结构常数， 最大差异接近于25倍， 当幂律小于-11/3时，漂移效应的测量结果大于闪烁效应的测量结果，两者的差异甚至可达两个量级。     

强湍流区的光束漂移

 基于修正Rytov理论，导出了适应于强湍流起伏区的光束漂移方差表达式，分析了湍流外尺度、有效散射区域尺度和光束束腰对光束漂移的影响，并与实验结果进行了比较。结果表明，相对于基于指数模型的光束漂移方差表达式，基于修正Rytov理论给出的表达式的计算结果能更好地与实验结果吻合。当光束束腰大于有效散射区域尺度时，不发生饱和效应，导出的表达式与传统理论给出的表达式一致；当光束束腰小于有效散射区域尺度时，光束漂移的幅度不随Rytov方差的增大而明显变化。     

Aperture averaging beam-wander of multi-Schell quantization beam in a turbulent atmosphere

We study the effects of the mode number of the multi-Schell Gaussian model beams on aperture averaging wander of quantization Gaussian beams propagating through weak turbulence fluctuation channel. The results demonstrate that there is an optimal sub-Schell beam number M_opt, in here the beam wander is minimum. Because of the beam spreading of turbulence and vacuum diffraction, and aperture smoothing effect of the multi-beam jitter, the impact of zenith angle of channel and turbulent outer scale on the beam wander is tiny. The beam wander of the multi-Schell Gaussian model beams is increased as the increasing of the wavelength λ.     

漂移对聚焦高斯光束闪烁影响的数值模拟

 采用非自适应坐标变换对聚焦高斯光束在湍流大气中的传输进行了数值模拟，结果显示轴闪烁指数并没有出现如Rytov理论所预言的随初始光束半径的增大而明显减小的现象，其原因在于Rytov近似理论未考虑大尺度湍涡产生的漂移效应对闪烁的贡献。对比数值模拟结果与漂移理论结果以及相关实验结果，三者相吻合,表明未考虑漂移效应的Rytov近似理论不能完全准确地描述聚焦光束的闪烁特征，在研究聚焦光束的闪烁时，应当考虑漂移的影响。     

Block error rate of FSO links over non-Kolmogorov turbulence with exponentiated Weibull distribution

In this paper, we model block error rate (BLER) performance of optical wireless communication systems in strong turbulence slant channels with very slow fading and additive Gaussian noise, using the Exponentiated Weibull distribution models. In a communication system, which transmits data in blocks of N bits, the BLER probability P(M, N) of more than M bit errors in a block is particularly useful in evaluating the wireless optical channel performance. The joint effects of the beam wander and spread, pointing errors and the spectral index of non-Kolmogorov turbulence on system's performance are included. The obtained results can be essential for the designing of such links under real circumstances.     

激光大气传输束心抖动概率分布

用概率理论研究了湍流大气中传播激光束心抖动概率分布和抖动导致点孔检测平均光强起伏概率分布。结果表明，二维束心抖动概率满足Ｒｉｃｉａｎ分布而点孔检测平均光强的起伏满足Ｇａｍｍａ分布。     

合肥光源储存环束流截面测量系统改造和软件升级

 存储环束流截面及发射度是同步辐射加速器重要的基本参数。从束流截面大小的变化和束斑位置的移动规律，可以进行环上的束流不稳定性的研究。介绍了合肥光源，储存环束流截面测量系统局部改造和它的软件升级并且着重介绍西欧核子中心(CERN)的软件框架ROOT在数据处理和显示方面的应用。     

Beam splitting, combining, and cross coupling through multiple superimposed volume-index gratings

We investigate the diffraction properties of multiple-superimposed index gratings from a vector synthetic viewpoint using coupled wave analysis with Bragg and non-Bragg readout. The vector synthetic gratings consist of two volume-index gratings with different grating wave vectors, which can be obtained in photorefractive materials, in optical fibers or in Bragg cells with two driving acoustic waves. This structure can realize beam splitting, beam combining, and beam cross coupling, etc. Analytic expressions for the diffraction efficiency as well as the amplitude of the waves involved are obtained. The results are presented and discussed.