大气环境下用于瞄准的激光波束传播特性研究

针对激光瞄准过程中的光斑偏移现象,结合修正的Von Karman谱的折射指数起伏和Hufnagel-Vally湍流模型上的近似积分,研究了高斯脉冲光束在湍流大气中远场水平以及斜程传播时的脉冲展宽和闪烁指数,分析了强湍流条件下1.06 μm准单色光斜程大气传输光强分布与脉冲展宽的关系,对数值结果进行比较,发现远距离传输中波长和距离对波束瞄准偏差影响较大.从理论和实验上对大气环境下激光光斑瞄准偏差进行了分析研究,研究结果表明:将激光光斑全场数据及分析结果应用到现有偏差补偿算法中,可以实现激光瞄准偏差的有效补偿,在大气能见度1 km～3 km范围内,激光瞄准偏差测量误差σA≤0.1 mrad.     

湍流大气传输高斯谢尔光束的到达角起伏

研究了在弱大气湍流起伏环境下以窄带宽高斯谢尔光束为激光光源的大气通信问题,分析了大气湍流强度和光源空间相干度对通信光束到达角起伏的影响.采用窄带宽光场的交叉谱密度函数代替光场互相干函数的近似方法和采用包含大气湍流内外尺度的简化折射率谱密度函数,得出了湍流大气中传输高斯谢尔光束的波结构函数(WSF) 和到达角起伏方差解析近似关系.分析表明,光源的空间相干度和传输光束的湍流扩展是影响高斯谢尔光束的相位起伏结构函数和传输光束到达角起伏的重要因素.     

高斯波束在湍流大气斜程传输中的闪烁问题研究

根据光波斜程传输理论以及随高度变化的ITU-R湍流大气结构常数模型,将水平传输的修正里托夫方法推广到了斜程传输问题中。导出了高斯波束入射时,在零内尺度湍流谱模型及考虑湍流内尺度效应和外尺度效应条件下,从弱起伏湍流区到强起伏湍流区闪烁指数随斜程里托夫方差变化的计算公式。讨论了不同传播高度、不同湍流内、外尺度对高斯波束斜程传输闪烁指数的影响。最后将有关数值计算结果与实验测量结果进行了比较和验证。     

斜程湍流大气中部分相干艾里光束的偏振特性研究

偏振是激光通信中保密编码的重要参数,研究斜程湍流大气中的偏振特性对激光通信具有重要意义。利用广义惠更斯-菲涅尔原理和偏振-相干统一理论,推导了无衍射的部分相干艾里高斯光束在斜程湍流大气传输中的偏振度解析式,详细研究了湍流参数、相干长度、天顶角、截断因子和分布因子对偏振度的影响。研究结果表明:与水平湍流相比,光束在斜程湍流下恢复到初始偏振需要更长的传输距离。天顶角、接收高度、截断因子、分布因子越大和相干长度越小,光束偏振度峰值也越大。高相干性的高斯光束比艾里光束更易于保持偏振度不变。无衍射艾里光束中选取合适的光学参数更有利于信息传输与编码,本文结果对激光大气通信领域有着潜在的应用价值。     

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。     

高斯涡旋光束在大气湍流传输中的特性研究

为了研究大气湍流对高斯涡旋光束传递信息的影响,理论分析了经过大气湍流的高斯涡旋光束轨道角动量(OAM)模式的径向平均功率和归一化平均功率分布、固有模式指数、初始光束半径和湍流强度;采用纯相位扰动逼近的有效性,数值模拟高斯涡旋光束在传输中的OAM模式径向平均功率分布的变化。建立传输模型并进行外场激光大气传输实验,对比分析了模拟和实测的OAM归一化平均功率分布,结果表明在弱湍流条件下,OAM模式的径向平均功率随着接收器孔径尺寸的增加而变化,逐渐趋于稳定值。对于一般常用的接收孔径,在强湍流或较小的初始光束半径条件下对OAM模式干扰十分严重。验证了用数值方法模拟OAM在湍流介质中的模式变化过程的可靠性。     

色散介质中啁啾高斯脉冲的时间和光谱特性

对啁啾高斯脉冲光束在色散介质中的时间和光谱特性作了研究.给出了远场光谱蓝移和脉冲展宽的解析式.结果表明：通过选择适当的啁啾参量,啁啾高斯脉冲光束沿轴上传输色散长度时,脉冲可恢复到初始值.随啁啾参量增加,谱线宽度展宽,轴上光谱蓝移增加,在远场蓝移趋于一渐近值.随啁啾参量增加,离轴光谱红移增加.     

基于拉盖尔-高斯光束的单光子捕获概率研究

单光子源通常采用基于高斯光束的高度衰减激光脉冲,假设激光束具有初始高斯时域脉冲波形和TEM01模拉盖尔-高斯空域分布.基于折射率起伏的Rytov近似和修正von Karman谱模型,研究了大气湍流对星地量子通信单光子捕获概率的影响;建立了上行信道和下行信道的单光子捕获概率理论模型;针对低轨卫星-地面站间激光链路,对单光子捕获概率进行了分析.结果表明:上行信道的单光子捕获概率强烈依赖于地面折射率结构常数C2n(0),且随着C2n(0)的增加而减小;然而,下行信道的单光子捕获概率并不依赖于C2n(0),即大气湍流对其没有影响.     

湍流大气中高斯谢尔光束的波前位错

在Rytov近似下,通过引入短期统计平均位错位置的概念,研究了高斯谢尔光束通过近地面弱湍流大气传播时,波前圆形位错形成和位错位置与湍流大气起伏强度和传播距离等参数间的关系.基于湍流大气中平行和交叉双光束的简化近似传输模型,研究了湍流大气中传播高斯谢尔光束波前位错位置与大气湍流强度、传输距离等参数间的相关机制.在远小于光波位相起伏周期的条件下,分别得出了束径不同同轴双光束和交叉双光束传播情况下波前圆位错位置的湍流系综统计平均理论关系.所得结果表明,同轴平行光束干涉和交叉光束干涉所产生的光束波前位错受大气湍流强度、传输距离等参数调制的规律是不同的.     

湍流大气中高斯光束焦移的数值模拟研究

采用数值模拟方法对聚焦高斯光束在湍流大气中传输的焦移进行了研究.结果表明:湍流大气中高斯光束的焦点不再位于真空焦点位置,而是向发射点移动,且前移的幅度随湍流强度的增大而增大,这与理论预计结果一致.引用焦深概念描述光束在焦点附近的准直特性,结果显示:在弱起伏和中等强度起伏情况下,光束的焦深随着湍流强度的增大而增大,焦点附近光束准直度提高;在中等和强起伏情况下,光束在焦点附近高度准直.     

Temporal broadening and scintillations of ultrashort optical pulses

The purpose of this paper is to study the temporal broadening and temporal scintillations of ultrashort optical pulses. We present the general formulation of the temporal broadening and scintillation index of ultrashort (femtosecond) space-time Gaussian pulses propagating through weak optical turbulence and derive analytic approximations for the near- and far-field zones. We then apply the results to cross-link, uplink and downlink communication channels in a laser satellite communication system. We show that both the temporal broadening and scintillations depend mainly on the strength of optical turbulence and the outer scale and increase with these parameters. We also show that 10-30 fs pulses broaden significantly more and have greater scintillations than wide pulses. Furthermore, the horizontal and vertical/slant path temporal broadening are identical and the temporal scintillation indices exhibit similar behaviour.     

大气湍流对部分相干平顶高斯光束的影响

采用相屏近似处理方法对激光通过湍流大气的传输进行了数值模拟。从数值模拟的结果拟合出两个公式:一是通过湍流前后部分相干平顶高斯光束的束宽平方比随阶数、传输距离和湍流强度的变化关系式;一是通过湍流后的相干长度随初始光束相干长度、湍流相干长度的变化关系式。研究发现:部分相干平顶高斯光束分解为相互独立的厄米-高斯光束的叠加;相干性越差的光束受到湍流的影响程度就越小;湍流对光束传输的影响与光束自身相干特性对其传输的影响之间是不相关的。     

大气湍流对斜程传输准单色高斯-谢尔光束时间相干性的影响

由第一类零阶贝塞尔函数的级数展开推导出波结构函数在任意湍流条件下的近似表达式。由广义惠更斯-菲涅耳原理、随高度变化的Hufnagel-Valley湍流廓线模型以及波结构函数在任意湍流条件下的近似表达式,导出了斜程传输时准单色高斯-谢尔光束互相干函数的解析式。然后,利用表征光束时间相干性的纵向相干长度(可由互相干函数导出),研究了斜程传输时大气湍流对准单色高斯-谢尔光束时间相干性的影响。研究结果表明,准单色高斯-谢尔光束的时间相干性在整个斜程传输过程中保持不变。最后,对该结果在物理上给予了定性解释。     

湍流对离轴列阵高斯光束相干与非相干合成的影响

研究了湍流对离轴列阵高斯光束相干与非相干合成的影响.推导出了相干合成光束的传输方程.采用二阶矩束宽、桶中功率和参数β作为光束质量评价参数比较了离轴列阵高斯光束通过湍流大气的相干与非相干合成,并对主要结果给予了合理的物理解释.研究表明：一方面,不论是相干合成还是非相干合成,湍流都使得合成光束扩展、峰值光强下降,并且子光束数越多,合成光束受湍流影响就越小.另一方面,非相干合成光束较相干合成光束受到湍流的影响要小. 关键词： 相干与非相干合成 湍流大气 离轴列阵高斯光束     

Propagation properties of partially coherent Hermiteben Gaussian beams through non-Kolmogorov turbulence

The propagation properties of partially coherent Hermite—Gaussian beams through non-Kolmogorov atmospheric turbulence are studied. The effects of non-Kolmogorov turbulence and beam nonparaxiality on the average intensity evolution and the beam-width spreading are stressed. It is found that the evolution of the average intensity distribution and the beam-width spreading depends on the generalized exponent factor, namely, on the non-Kolmogorov turbulence strength for the paraxial case. For the non-paraxial case the effect of the turbulence is negligible, while the beam-width spreading becomes very large. The analytical results are illustrated numerically and interpreted physically.     

Effects of coherence and polarization on the beam spreading and direction through atmospheric turbulence

Based on extended Huygens-Fresnel principle, analytical expressions of beam width and far-field angular spreading for electromagnetic Gaussian Schell-model (EGSM) beams propagating in atmospheric turbulence are obtained. The effects of coherence and polarization on beam spreading and directionality in atmospheric turbulence are investigated in detail. A condition is obtained under which beams with different degrees of spatial coherence and polarization will generate the same far-field angular spreading in atmospheric turbulence. Our results have potential application in long-distance free space optical communications.     

Analysis of Inner-Scale Effect on Atmosphere Scintillation for Infrared Laser Beam Propagating on Earth-Space Paths

On Earth-space paths, based on ITU-R C_n² (h) model, by means of a modification of the Rytov method that incorporates an amplitude spatial frequency filter function under strong fluctuation conditions, considering atmospheric turbulence inner-scale, an expression is developed for the scintillation index of a visible or a near and middle infrared laser beam wave that is valid under moderate to strong irradiance fluctuations. The quantitative analyses of scintillation index are done by this analytic model for laser Gaussian collimated beam wave at visible or near and middle infrared wave band. The results agree with theoretic analysis scintillation. This scintillation model can be converted into a Gaussian beam wave model with finite inner-scale on horizontal sight paths of invariable C_n².     

Atmospheric turbulence and numerical evaluation of bit error rate (BER) in free-space communication

Bit error rate (BER) is an important parameter in free-space optical (FSO) communication. This paper presents the numerical evaluation of BER by studying the propagation of an initial Gaussian laser beam through turbulent atmosphere. Beam scintillation, spreading and wandering were considered as the atmospheric turbulent effects on the laser beam degradation. Different turbulent conditions and laser beam characteristics were applied to the calculations. The results show that the BER can be influenced considerably by atmospheric turbulence. According to these results the laser beam size and wavelength have also significant effects in the BER values.