兰州地区夜间光强起伏特性实验

在兰州地区夜间进行了链路长为610m的激光传输实验,研究了晴、阴、沙尘、雨夹雪天气下光强起伏的统计特性.采用闪烁法测量了不同天气下的大气折射率结构常数C_n~2,分析其最大值、最小值、均值和标准差,得到实验期间C_n~2值的范围为1.06×10~(-15) m~(-2/3)~1.05×10~(-13) m~(-2/3),均属于中等湍流;而且晴天和雨夹雪天气下C_n~2值以及起伏程度均大于阴天和沙尘天的值.同时,利用实测光强值分析了Rytov方差,结果表明:晴、雨夹雪、沙尘天气下光强起伏大部分时间属于弱起伏,有小部分时间跨入中等起伏区,而阴天下光强起伏均属于弱起伏,且晴天和雨夹雪天气下光强起伏大于阴天和沙尘天.通过对光强频数分布进行对数正态、Gamma-Gamma和指数威布尔非线性拟合,不同天气下光强起伏概率分布最为接近指数威布尔分布,其拟合优度均大于0.989 95,而在弱到中等起伏区,Gamma-Gamma分布拟合效果优于对数正态分布.     

贝塞尔高斯涡旋光束在大气湍流中的传输特性

基于广义惠更斯-菲涅耳原理,推导了贝塞尔高斯涡旋光束在湍流大气中传输时系统平均光强的解析表达式,研究了贝塞尔高斯空心涡旋光束在湍流大气中的光强传输特性,同时分析了大气湍流的强弱、涡旋光束的拓扑荷等对光束质量的影响.结果表明:贝塞尔高斯涡旋光束在大气湍流中传输时,光强分布经历几个连续的变化,相位奇异性也会在传输过程中消失,该过程与涡旋光束拓扑荷的数目、光束的束腰宽度以及大气湍流的强弱等因素密切相关.拓扑荷数目高的涡旋光束在湍流大气中传输时,其奇异性的保持较拓扑荷数目低的涡旋光束要好.另外,基于桶中功率理论,分析研究了涡旋光束的拓扑荷数目、大气湍流强弱和束腰宽度对贝塞尔高斯涡旋光束在大气湍流中传输时的光束质量的影响.     

湍流等离子体鞘套中高斯光束的传播特性分析

为了研究高斯光束在湍流等离子体鞘套中的传输特性,根据广义惠更斯-菲涅耳原理,采用基于快速傅里叶变换的功率谱反演法,用多随机相位屏来模拟湍流带来的影响.根据超声速飞行器绕流等离子体流场厚度在厘米级别的特点,光束在两个相位屏之间的传输过程中采用菲涅耳衍射积分的两次快速傅里叶变换算法(double fast Fourier transform algorithm),利用多随机相位屏模拟等离子体鞘套湍流对光束传输产生的影响,解决了多随机相位屏模拟湍流研究中的超短距离传输问题.当飞行高度为45 km,飞行速度为18马赫时,通过对超声速飞行器绕流等离子体流场的统计分析,发现在此飞行条件下折射率起伏方差的强度范围10~(–11)—10~(–14).对高斯光束在湍流等离子体流场中的传输特性进行了数值仿真.结果表明:在等离子体鞘套湍流中折射率起伏强度、波长、传输距离等都是影响高斯光束质量的重要因素.折射率方差越大,传输距离越长,光斑弥散越严重,光强起伏越大,光强减弱也越明显.光束的波长越长,高斯光束抑制湍流的能力越强,光斑弥散程度越小,光强起伏也越小.     

大气湍流中部分相干聚焦涡旋光束的传输特性

基于广义惠更斯-菲涅耳原理和相位结构函数的平方近似,研究了部分相干高斯-谢尔模型涡旋光束被聚焦后在大气湍流中的传输特性,得到了焦平面上光强解析表达式.利用该表达式,详细研究了该类光束在大气湍流中传输焦平面上的光强分布特性.结果表明：在大气湍流中,随着传输距离的增加,涡旋光束的奇异性逐渐降低.对于拓扑荷大的以及空间相干长度较长的涡旋光束,光束奇异性的保持相对要好.在一定的焦距长度和湍流大气条件下,我们可以通过调整光源的拓扑荷和相干长度控制焦面光强分布和焦斑大小.另外,有一定拓扑荷的涡旋光束可以在一定程度上降低大气湍流对传输光束焦面光强分布的影响.     

球差光束在大气湍流中传输特性的实验研究

采用空间光调制器产生球差光束,并利用旋转随机相位板模拟大气湍流,实验上研究了球差光束在大气湍流中的传输特性.研究表明:在自由空间传输时,正、负球差光束光强分布均为环形多层分布,但经过大气湍流传输后光强均会变为类高斯分布.正球差导致光束扩展,负球差会导致光束聚焦.正球差越大光束能量集中度越差.负球差对光束能量集中度的影响是非单调的.特别地,大气湍流会削弱球差效应对光束扩展的影响.     

高能激光环形光束近场和远场传输特性

为满足高能激光环形光束在近场区和远场区的实际应用需求,从电磁波衍射积分方程出发,推导了环形光束光场分布和远场光强分布表达式,并对光场分布和光强分布进行了分析,得到光强分布与高斯光束的有限孔径大小、中心遮拦比和传输距离的关系.引入大气湍流场景,采用相位屏法对环形光束在不同湍流强度下的大气传输进行了数值模拟和分析,研究了受大气湍流影响远场光斑畸变、光斑破碎、光束扩展和漂移等的增强现象.最后开展了环形光束近场区大气传输数值模拟和实验,结果表明:随着传输距离的增加,光斑中心光强越来越强,光斑逐渐趋于均匀,平均光强呈类高斯分布,近场区环形光束扩散和光斑畸变现象受大气湍流影响而增强.     

相干合成光束在湍流大气中的传输

分析了湍流大气对相干合成光束传输的影响,根据广义惠更斯-菲涅耳原理,对相干合成光束在不同强度湍流大气中传输进行计算,对接收平面处的光强分布的统计特性,如桶中功率(PIB)曲线、局部功率曲线进行比较.研究结果表明,较弱的湍流大气对相干合成光束的传输影响较小,接收平面的光强分布以及PIB曲线基本不变;随着湍流强度的增大,相干合成光束的光强分布和PIB曲线产生显著变化,光斑扩展和能量的弥散速度加快,光束的能量集中度显著降低.计算了湍流大气传输后光束的空间相干度,认为空间相干度下降是降低相干合成效果的原因,对如何降低湍流大气的影响进行讨论.     

部分相干光束经过湍流大气传输研究进展

相较于相干光束,部分相干光束经过湍流大气传输能够有效地抑制湍流引起的光束展宽、光斑漂移及光强闪烁等扰动效应,在自由空间光通信、激光雷达和激光遥感等方面有重要的应用前景.近年来,部分相干光束湍流大气传输研究受到越来越多学者的关注.本文回顾了部分相干光束在湍流大气中传输特性研究的发展历程、理论基础及常用的理论方法,介绍了处理光束经过湍流大气传输的相位屏数值模拟方法,以及如何把该方法运用到处理部分相干光束传输.     

大气湍流中高斯空心涡旋光束的焦面光强分布

运用广义惠更斯-菲涅耳原理和相位结构函数的平方近似,研究了聚焦高斯空心涡旋光束通过湍流大气传输后在焦平面内的光强分布的理论模型,同时分析了不同大气折射率结构常数C2n、聚焦距离、光束拓扑荷和湍流外尺度对焦面光强分布特性的影响.结果表明:随着聚焦距离的增加,焦面光强分布由中央凹陷状向高斯分布转变.弱湍流对焦面光强分布的影响可以忽略;高拓扑荷光束在湍流大气中传输时光波奇异性的保持较低拓扑荷奇异光束要强;随着湍流外尺度增加,焦面光强分布的中央凹陷状变浅,光强分布变平滑.     

湍流对M×N列阵双曲余弦高斯光束传输和远场光束质量的影响

基于广义惠更斯-菲涅耳原理,并采用光束的非相干合成方法,推导出了M×N双曲余弦高斯列阵光束在湍流中的三维光强传输方程.采用桶中功率、β参量和Strehl比作为光束质量的评价参量,研究了湍流大气对双曲余弦高斯列阵光束远场光束质量的影响.研究表明:在湍流大气中,双曲余弦高斯列阵光束的传输将经历三个阶段的变化,并且湍流使得光束传输经历三阶段的进程加快;湍流导致双曲余弦高斯列阵光束扩展、最大峰值光强下降,但是,β参量随光束数目M(N)、相邻子光束间距xd(yd)和光束参量δ的增加而减少,即光束扩展受湍流的影响减小;并且,存在最佳xd(yd)和δ值使得Strehl比取得极大值.因此,适当选取M(N)、xd(yd)和δ可以降低湍流对双曲余弦高斯列阵光束远场光束质量的影响.     

一维线阵离轴高斯光束通过湍流大气的传输特性

研究了一维(1D)线阵离轴高斯光束通过湍流大气的传输特性，推导出了其光强传输方程. 研究表明，1D线阵离轴高斯光束通过湍流大气传输经历了三个阶段，即在近场其光强分布为类似于入射光的锯齿状分布，随着传输距离的增加逐渐变为平顶分布，最后在远场成为类高斯分布. 湍流的增强会使光束传输经历三阶段的进程加快. 并且，湍流使得不同子光束数的1D线阵离轴高斯光束的归一化光强分布相接近. 此外，子光束数越多的1D线阵离轴高斯光束受到湍流的影响越小；1D线阵离轴高斯光束较高斯光束受到湍流的影响要小. 关键词： 一维(1D)线阵离轴高斯光束 湍流大气 传输特性     

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.     

常规气象参数估算南极泰山站近地面大气光学湍流强度

选择最好的天文台址放置大口径望远镜一直是天文学家追求的目标.天文台址的选择与近地面层湍流强度大小以及随高度递减的快慢密切相关.与中纬度最好的天文台站相比,南极大陆具有极低的红外天空背景辐射、极低的可降水含量、极低的气溶胶和尘埃颗粒物含量、非常小的光污染、晴天日数多,无疑成为下一代大型光学/红外天文望远镜在地球上寻找地基站址的理想场所.本文建立了光学湍流强度估算方法,第一次对南极泰山站近地面大气光学湍流强度进行估算.模式输入的气象参数是2013年12月30日至2014年2月10日移动式大气参数测量系统在南极泰山站测量的数据,折射率结构常数C_n~2的估算结果与温度脉动仪实测的C_n~2进行了比较,并对估算方法进行了敏感性分析.测量结果和分析表明:南极内陆近地面C_n~2具有明显的日变化特征,夜晚C_n~2达2×10~(-14)m~(-2/3),比白天强,日出和日落时刻附近出现最小值.C_n~2的模式估算和实验测量的比对表明了模式用来估算南极近地面C_n~2的可行性.C_n~2的模式估算和测量差异最大值往往出现在日出和日落时刻附近.由于南极内陆大气大部分时间处于稳定状态,选用不同的结构常数函数估算的C_n~2值差别不大,0.5 m,2.0 m两高度温差测量精度是影响C_n~2估算值的主要因素.     

湍流大气中随机相位光束阵列的斜程传输特性

基于广义惠更斯-菲涅耳原理,理论上研究了具有随机相位的激光束阵列在湍流大气中的斜程传输特性。主要研究了湍流强度、占空比、传输高度和光束间的相位差对光束阵列平均光强的影响。研究结果表明:湍流会使合成光强减弱,光束扩展;同时,占空比越小,合成光场的峰值光强越小,即合成效果越差;随着光束间相位差的增大,主峰强度快速下降,最终合成光束近似于单束高斯光束模型。与水平传输时的结果进行了比较,结果显示大气湍流对斜程传输光束扩展的影响明显小于水平传输的情况。计算模型和结果为工程实际中合成方案的选择和评估提供了参考。     

大气湍流和热晕综合效应下旋转光束的传输特性

旋转光束指的是一类由拓扑荷数不同的涡旋光束经外差干涉产生的,光强、相位或偏振随时间快速旋转的新型光束.旋转光束在大气通道传输时因其光场随时间快速旋转可遍历大气传输路径上的不均匀性,使得大气湍流和热晕等效应引起的相位畸变在旋转方向得到匀滑,从而达到改善光束质量,提升光束质心稳定性的目的.在考虑大气湍流和热晕综合效应的情况下,建立了旋转光束在大气的传输模型,分析了旋转光束如何缓解大气湍流和热晕效应的物理机制.在此基础上,进一步分析了光束旋转频率和子光束功率比值,以及大气湍流和热晕强度等对旋转光束大气传输特性的影响及规律,从而为激光大气工程应用提供参考.     

涡旋光束在湍流大气中的光束扩展

涡旋光束在湍流大气中传输时,其振幅和相位会发生随机起伏,导致在接收平面处的光强起伏及光束扩展等。以低阶拉盖尔-高斯涡旋光束为例,利用激光大气传输四维程序数值模拟了不同条件下的涡旋光束在湍流大气中传输时引起的光束扩展。由模拟结果可知,传输距离越长或湍流越强,涡旋光束在大气中传输时的束宽扩展受湍流的影响越大;涡旋光束的拓扑荷数越高、光束的束腰越小或光波的波长越长,其束宽扩展受大气湍流的影响越小。湍流的内尺度和外尺度也会影响涡旋光束的光束扩展,但影响程度相对较小。另外,通过计算仿真还比较了涡旋光束和普通高斯光束在湍流大气中传输时引起的光束扩展的差异。     

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     

部分相干Airy光束在大气湍流中的光强演化

为了利用Airy光束的无衍射、自恢复和自弯曲特性抑制大气湍流效应,实现远距离无线光通信,对部分相Airy光束在大气湍流中传输时的光强演化进行了研究.利用高斯-谢尔模型的交叉谱密度函数、广义惠更斯-菲涅尔原理以及Rytov相位近似法,推导了部分相干Airy在湍流大气中平均光强的表达式.分别从传播距离、湍流强度等方面对光强分布的影响进行了模拟仿真,并对光束自身参数对光强分布的影响进行了相关实验验证.结果表明:随着传播距离的增加,部分相干Airy光束的旁瓣逐渐衰减,主瓣逐渐扩散;在传播足够远时,其旁瓣逐渐消失,主瓣逐渐演化为高斯分布.仿真和实验结果一致表明光束的截断因子越小、特征长度和相干长度越长,光束的光强分布保持越完整.     

带初相位分布的径向基模激光束列阵在湍流大气中的传输特性研究

利用相干叠加原理和广义Huygens-Fresnel 衍射积分公式,理论上研究了具有确定初始相位排列的激光束列阵通过大气湍流的传播特性.发现在近距离的传输过程中,列阵光束的光强分布会出现螺旋状分布（即光学涡旋）.但由于大气湍流的影响,光束列阵远场涡旋特性随着传输距离的增加逐渐消失,成为无旋涡的实心光束;且当大气湍流变弱时,旋涡特性的有效传输距离逐渐变长. 关键词： 大气湍流 涡旋     

大气湍流像差散焦和像散与高斯涡旋光束焦面光强

分别研究了构成大气湍流波像差中的散焦和像散两个低阶像差对高斯涡旋激光束传输和成像的影响.采用菲涅耳-基尔霍夫衍射积分理论和大气湍流波相位结构函数的平方近似研究了聚焦高斯涡旋光束在大气湍流中散焦和像散影响下焦面光强的分布特性.导出了斜程传输条件下接收面上平均光强分布的积分表达式,并采用数值模拟方法研究湍流强度、传输距离和拓扑电荷对焦面光强的调制规律.结果表明:在弱湍流起伏区域,散焦和像散两类像差对高斯涡旋光束的光强分布影响都很小,可以忽略;在中等湍流区域,随着光束传输距离和湍流强度的增加,两类像差都导致高斯涡旋光束的光强峰值降低、束径扩展、中心暗斑扩大.当单拓扑电荷高斯涡旋光束传输时,在同等传输条件下,像散导致的光强峰值降低比散焦更严重,主亮斑区域外的次级亮环强度更大,光斑和中心暗斑扩展更明显.与单拓扑电荷光束相比较,散焦和像散导致双拓扑电荷光束的扩展更加明显,中心光斑更大,亮环区域外的次级亮环更明显;但是,由于光的相干性的降低和光束的偏折效应,像散导致光束中心的暗斑变为次级亮斑.