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.     

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.     

大气湍流对斜程传输准单色高斯-谢尔光束空间相干性的影响

由湍流大气中斜程传输时准单色高斯-谢尔(GSM)光束互相干函数的解析式导出了该光束的复相干度.然后,利用表征光束空间相干性的横向相干长度,研究了斜程传输时大气湍流对准单色GSM光束空间相干性的影响.研究结果表明：1)当传输路径偏离水平方向较大(即θ≤88°)时,准单色GSM光束横向相干长度随传输距离均为先迅速增加,后缓慢增加,最后基本保持不变.2)当传输路径接近水平方向(即θ≥89°)时,准单色GSM光束横向相干长度随传输距离均为先增大,达到一个最大值后开始下降并持续减小.3) 关键词： 大气光学 空间相干性 高斯-谢尔光束 斜程传输     

部分相干洛伦兹-高斯光束在湍流大气中的峭度参数

基于广义惠更斯-菲涅耳衍射积分公式和洛伦兹函数的厄米-高斯展开,导出了部分相干洛伦兹-高斯光束在湍流大气中经傍轴ABCD光学系统的峭度参数的解析表达式,对该峭度参数进行了数值计算。结果表明:空间相干长度和结构常数对峭度参数的影响与部分相干洛伦兹-高斯光束本身的光束参数有关;当空间相干长度小于光束参数时,其影响显著;当洛伦兹部分的光束参数较大或高斯部分的光束参数较小时,结构常数的影响较明显且随传输距离的增大而增强。     

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.     

激光通过非Kolmogorov大气湍流传输光束扩展区间的研究

激光通过大气湍流传输,光束扩展主要由空间衍射和大气湍流两个物理机制确定,而大气湍流对光束扩展的影响又与光束空间衍射特性相关。研究了部分相干厄米-高斯(H-G)光束通过非Kolmogorov大气湍流传输光束扩展区间问题,把光束扩展按传输距离划分为三个区间,造成这三个区间的光束扩展的主要物理机制依次是:空间衍射、空间衍射和大气湍流、大气湍流。详细研究了部分相干H-G光束参数和大气湍流参数对这三个区间范围大小的影响,以及第一个光束扩展区间与光束瑞利区间的关系,并对主要结果给出了合理的物理解释。     

大气湍流中光束束宽扩展和角扩展的比较研究

以厄米-双曲余弦-高斯（H-ChG）光束为例,对H-ChG光束通过大气湍流传输时的束宽扩展和角扩展做了详细研究.用相对束宽和相对角扩展代替束宽和角扩展来研究湍流对光束影响的灵敏程度.研究表明,折射率结构常数C²_n越小,光束束宽扩展和角扩展越小.有较大阶数m,n,较小参数Ω₀和束腰宽度w₀ H-ChG光束的角扩展受湍流影响较小.当传输距离足够远时,这一结论对H-ChG光束的束宽扩展也成立.当传输距离不长时,对H-ChG光束相对束宽随Ω₀和w₀的变化规律做了分析.用数值计算例做了说明,并对结果的正确性做了物理解释.厄米-高斯,双曲余弦高斯和高斯光束在大气湍流中的扩展可作为H-ChG光束的特例来处理. 关键词： 束宽扩展和角扩展 大气湍流 厄米-双曲余弦-高斯光束     

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。     

倾斜离轴高斯-谢尔模型光束在大气湍流中通过猫眼光学镜头反射光的光强特性

本文研究了大气湍流和探测光空间相干性对倾斜离轴激光束通过猫眼光学 镜头反射光光强特性的影响. 研究表明: 由于光阑效应以及光束倾斜或离轴, 反射光光强出现振荡和非对称分布现象. 大气湍流不会改变其非对称性, 但湍流中其光强不再振荡. 当猫眼光学镜头存在微弱正离焦δ_max情况下, 轴上光强可达到最大值. 猫眼光学镜头焦距越大, 所需δ_max越大. 但是, 大气湍流和探测光相干性好坏都不会改变所需δ_max值. 在大气湍流中传输距离足够远时, 反射光强会成为离轴类高斯分布. 随着传输距离的增大, 相干性越差的探测光的反射光束扩展可以更小, 这与部分相干光自由空间传输规律完全不同. 探测光相干性越好, 其反射光强受湍流的影响越大, 但差异不大. 本文所得结果对激光主动探测的应用具有意义. 关键词： 猫眼光学镜头 大气湍流 部分相干光 光强     

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.     

Long-distance propagation of pseudo-partially coherent Gaussian Schell-model beams in atmospheric turbulence

Propagation properties of spatially pseudo-partially coherent Gaussian Schell-model beams through the atmo- spheric turbulence over a long-distance uplink path are studied by numerical simulation. A linear coordination trans-formation is introduced to overcome the window effect and the loss-of-resolution problem. The beam spreading, beam wandering, and intensity scintillation as functions of turbulence strength, source correlation length, and change frequency of random phase that models the partial coherence of the source are analyzed. It is found that the beam spreading and the intensity scintillation of the partially coherent beam are less affected by the turbulence than those of the coherent one, but it suffers from a more severe diffractive effect, and the change frequency of random phase has no evident influence on it. The beam wandering is insensitive to the variation of source correlation length, and decreases firstly then goes to a fixed value as the change frequency increases.     

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.     

扰动大气中部分相干光束的光谱特性

对扰动大气中传输的部分相干光束的光谱演化特性进行了研究。利用推广的惠更斯一菲涅耳原理．得到了扰动大气中部分相干光束的交叉光谱密度,据此分析了在大气扰动影响下部分相干光束的频移效应以及空间相干度的变化规律。结果表明：由于大气扰动的影响,在光束传输过程中,轴上光谱先是出现蓝移,蓝移量先增大后减小,传输足够远距离之后将出现红移,并且光束的相干性越差,就需要传播越远的距离才会发生红移;而光束的空间相干度随传输距离增大到一定程度之后开始减小,最终将趋于零。通过与自由空间中部分相干光的传输特性比较,发现当光束的传输距离比较小时．大气扰动效应对光谱特性的影响很小,只有在传输距离足够远时,大气扰动对光谱特性的影响才会明显地表现出来。     

Numerical simulation of super-continuum laser propagation in turbulent atmosphere

Considering the atmospheric extinction and turbulence effects,we investigate the propagation performances of supercontinuum laser sources in atmospheric turbulence statistically by using the numerical simulation method,and the differences in propagation properties between the super-continuum(SC)laser and its pump laser are also analyzed.It is found that the propagation characteristics of super-continuum laser are almost similar to those of the pump laser.The degradation of source coherence degree may cause the relative beam spreading and scintillation indexes to decrease at different propagation distances or different turbulence strengths.The root-mean-square value of beam wandering is insensitive to the variation of source correlation length,and less aperture averaging occurs when the laser source becomes less coherent.Additionally,from the point of view of beam wandering,the SC laser has no advantage over the pump laser.Although the pump laser can bring about a bigger aperture average,the SC laser has a lower scintillation which may be due to the multiple wavelength homogenization effects on intensity fluctuations.This would be the most important virtue of the SC laser that can be utilized to improve the performance of laser engineering.     

Statistic of a Gaussian beam from an arbitrary rough target in the single passage atmospheric turbulence

The extended Huygens-Fresnel principle and Goodman model was utilized for target surface to derive the mutual coherence function (MCF) of a Gaussian beam reflected from an arbitrary rough target in atmospheric turbulence. According to the MCF, expressions of the mean irradiance and average speckle size at the receiver were obtained. The analysis indicated that the mean intensity is closely related to the ratio of root mean square (rms) height to the lateral correlation length. In addition, the speckle size at the receiver is associated with turbulence strength, propagation distance and roughness of the target. The results can be reduced to the result of a Gaussian beam illuminating rough target and scattering from a target in free space.     

Propagation properties of stochastic electromagnetic double-vortex beams in turbulent atmosphere

Based on the extended Huygens-Fresnel principle, we study the propagation properties of stochastic electromagnetic double-vortex beams in turbulent atmosphere. The result shows that the spreading of the partially coherent double-vortex beams can be smaller than that of the fully coherent ones. The degree of polarization of this kind of beam will experience change, which is dependent on the degree of polarization of the source plane, the atmospheric turbulence, topological charge, and the spatial coherence. The results may have applications in space optical communication.     

Propagation properties of stochastic electromagnetic double-vortex beams in a turbulent atmosphere

Based on the extended Huygens-Fresnel principle,we study the propagation properties of stochastic electromagnetic double-vortex beams in a turbulent atmosphere.The result shows that the spreading of partially coherent double-vortex beams can be smaller than that of fully coherent ones.The degree of polarization of this kind of beam will experience change,which is dependent on the degree of polarization of the source plane,the atmospheric turbulence,topological charge,and the spatial coherence.The results may have applications in space optical communication.