高斯-谢尔模光束在大气湍流中传输的相干特性研究

文章分析了高斯-谢尔光束在大气湍流中传输时相干长度的变化, 并与真空传输做比较, 真空传输相干长度的变化只与光源参数有关, 大气湍流中传输相干长度的变化受光源参数和湍流的共同影响. 真空传输光束扩展造成相干长度增大; 大气湍流中, 传输距离较短时, 相干长度由于光源扩展而增加, 当传输距离较大时, 湍流效应增强引起相干长度下降. 因此, 单纯从相干长度方面分析大气湍流带来的影响不够完备. 为排除光源扩展影响, 利用相干长度与光斑尺度的比值进行分析, 发现大气湍流会造成比值的下降. 在数值仿真的基础上对上述结果给出了解释. 关键词： 部分相干 大气湍流 高斯-谢尔模 光束扩展     

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。     

大气湍流对部分相干电磁平顶光束传输的影响

基于相干性和偏振性统一理论,采用Rytov相位结构函数平方近似推导出了部分相干电磁平顶光束在湍流大气中传输的偏振度、相干度和光谱强度公式,并研究了湍流对其传输特性的影响.研究表明,偏振度和相干度与源光谱的带宽无关.大气湍流使得不同阶数的部分相干电磁平顶光束的偏振度经长程传输后均趋于其初始值.大气湍流使得部分相干电磁平顶光束与电磁高斯-谢尔模型光束相干度的差别减小,并导致相干度的振荡和相位奇异现象消失.大气湍流使得相干性较好的部分相干电磁平顶光束的光谱跃变现象消失.     

大气湍流对部分相干电磁平顶光束传输的影响

基于相干性和偏振性统一理论,采用Rytov相位结构函数平方近似推导出了部分相干电磁平顶光束在湍流大气中传输的偏振度、相干度和光谱强度公式,并研究了湍流对其传输特性的影响.研究表明,偏振度和相干度与源光谱的带宽无关.大气湍流使得不同阶数的部分相干电磁平顶光束的偏振度经长程传输后均趋于其初始值.大气湍流使得部分相干电磁平顶光束与电磁高斯一谢尔模型光束相干度的差别减小,并导致相干度的振荡和相位奇异现象消失.大气湍流使得相干性较好的部分相干电磁平顸光束的光谱跃变现象消失.     

径向偏振部分相干螺旋贝塞尔光束的模拟研究

基于交叉谱密度函数以及相干偏振统一理论,导出径向偏振部分相干螺旋贝塞尔光束的光场表达式,研究了该光束的传输特性.通过理论分析和数值计算可知,径向偏振部分相干螺旋贝塞尔光束在自由空间传输时,光束以固定的螺旋半径进行螺旋传输.且在传输过程中,光束逐渐由螺旋空心光束演变为螺旋高斯光束,这一过程所需的传输距离与相干长度有关.该光束的偏振角和偏振度都会受到螺旋半径和传输距离的影响,同时,相干长度的变化也会影响偏振度的分布.而相干长度,传输距离和螺旋半径的改变并不会影响光束的偏振椭圆率的分布.     

部分相干平顶光束在非Kolmogorov湍流中的湍流距离

给出了部分相干平顶光束通过非Kolmogorov湍流传输的湍流距离解析表达式,并研究了非Kolmogorov湍流的湍流广义指数、内尺度、外尺度和光束参数对部分相干平顶光束湍流距离的影响。研究表明:湍流距离随相干参数、束腰、外尺度(当湍流广义指数的取值为3.6~4.0时)的增大而减小;随光束阶数、内尺度的增大而增大;随湍流广义指数先减小后增大,且在湍流广义指数取3.11时存在极小值,即光束扩展的极大值。同时利用湍流广义指数及光束参数,具体比较了湍流距离与瑞利区间的大小,并指出光束参数及湍流广义指数决定了湍流是否在瑞利区间内就能对光束扩展构成明显的影响。     

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。     

部分相干平顶光束在增益或损耗介质中传输的M2因子

 根据光束在介质中传输强度二阶矩计算公式,推导出部分相干平顶光束在增益或损耗介质中传输的M2因子解析表达式,并将高斯 谢尔模型光束在增益或损耗介质中的传输作为特例统一于一般表达式中。研究结果表明：部分相干平顶光束在增益或损耗介质中传输时的M2因子与光束传输距离、光束相干长度、光束阶数及介质的特性有关。光束在增益或损耗介质中传输的这种特性为应用和控制光束传输提供了理论依据。     

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。     

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.     

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.     

激光空间相干性对照明均匀性的影响

 研究了激光相干性对照明均匀性的影响，为照明激光器的选择提供了理论参考。其中，部分相干高斯光束分解为模式间相互独立的厄米-高斯光束的迭加。采用相位屏的近似处理方法对激光通过大气湍流的传输进行计算模拟。数值模拟的结果表明：当照明光束的空间相干性降低时，其照明均匀度逐步提高。因此对于照明激光器而言，选择空间相干性较差的激光器对其照明均匀度更加有益。     

Polarization properties of polarized and partially coherent Electromagnetic Gaussian-Schell model pulse beams on slant path in turbulent atmosphere

This paper is based on the unified theory of coherence and polarization of stochastic electromagnetic beams and the extended Huygens–Fresnel principle, combined with the quadratic approximation of Rytov’s phase structure function and the generalized Stokes parameters. We have derived the novel expressions for the cross-spectral density matrix elements and the degree of cross-polarization of a class of elliptically polarized spatially and spectrally partially coherent Electromagnetic Gaussian-Schell model pulse (EGSMP) beams propagating through atmospheric turbulence along a slant path. Additionally, we calculate and analyze the effects of the turbulent intensity, the initial pulse duration, waist width of the beam, the spatial coherence length and temporal coherence length et al. on the polarization properties of fully polarized and partially coherent EGSMP beams. Finally, a comparison of the impact of those factors on the partially polarization beams is made. The results show that the influences of the turbulent intensity, the initial pulse duration, waist width of the beam, the spatial coherence length and temporal coherence length et al. on the polarization properties of fully polarized and partially coherent EGSMP beams are larger. While the effects of those parameters on the partially polarization and partially coherent EGSMP beams are smaller. It is noted that the results of this paper have established sound theoretical basis on the topic of improving performance of the laser system propagating through the atmospheric turbulence.     

Numerical Simulation for Coherent and Partially Coherent Beam Propagation through Atmospheric Turbulence

Propagation properties of coherent and partially coherent beams in atmospheric turbulence are investigated respectively by using numerical simulation It is found that a partially coherent beam has a spreading larger than a coherent beam. However, from the point view of relative beam spreading and intensity scintillation, a partially coherent beam is less affected than the corresponding coherent beam, which may be the most important virtue of partially coherent beams that could be utilized to improve the performance of laser engineering. The beam wandering is almost independent of the degree of the source coherence. More aperture averaging occurs when beam becomes more coherent.     

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。     

Influence of atmospheric turbulence on the propagation of superimposed partially coherent Hermite-Gaussian beams

The influence of atmospheric turbulence on the propagation of superimposed partially coherent Hermite-Gaussian (H-G) beams is studied in detail. The closed-form propagation equation of superimposed partially coherent H-G beams through atmospheric turbulence is derived. It is shown that the turbulence accelerates the evolution of three stages which superimposed partially coherent H-G beams undergo. The turbulence results in a beam spreading and a decrease of the maximum intensity. However, the larger the beam number M, the beam order m, the separate distance x_d, and the smaller the beam correlation length σ₀ are, the less the power focusability of superimposed partially coherent H-G beams is affected by the turbulence. Specially, superimposed partially coherent H-G beams are less sensitive to turbulence than superimposed fully ones, and than partially coherent H-G beams if the beam power focusability and the maximum intensity are taken as beam criterions. However, the maximum intensity of superimposed partially coherent H-G beams is less sensitive or more sensitive to turbulence than that of superimposed Gaussian Schell-model (GSM) beams depending on σ₀.     

Partially coherent elegant Hermite–Gaussian beam in turbulent atmosphere

Based on the extended Huygens–Fresnel integral, analytical formulas for the cross-spectral density, mean-squared beam width and angular spread of a partially coherent elegant Hermite–Gaussian (HG) beam in turbulent atmosphere are derived. The evolution properties of the average intensity, spreading and directionality of a partially coherent elegant HG beam in turbulent atmosphere are studied numerically. It is found that the partially coherent elegant HG beam with smaller initial coherence width, larger beam order and longer wavelength is less affected by the atmospheric turbulence. Compared to the partially coherent standard HG beam, the partially coherent elegant HG beam is less affected by turbulence under the same condition. Furthermore, it is found that there exist equivalent partially coherent standard and elegant HG beams, equivalent fully coherent standard and elegant HG beams, and an equivalent Gaussian–Schell-model beam may have the same directionality as a fully coherent Gaussian beam whether in free space or in turbulent atmosphere. Our results can be utilized in short and long atmospheric optical communication systems.     

部分空间相干光束在非Kolmogorov湍流大气中的有效曲率半径

激光在湍流大气中的传输有重要的理论研究和实际应用意义.以高斯-谢尔模型(GSM)光束作为部分空间相干光的典型例,基于非Kolmogorov谱和广义惠更斯-菲涅耳原理, 推导出GSM光束在非Kolmogorov湍流中的有效曲率半径的解析表达式. 重点研究了湍流参数(包括广义指数α,内尺度l₀,和外尺度L₀) 和传输距离z分别对GSM光束有效曲率半径的影响.结果表明, 有效曲率半径R_x(z)随α和z增加先减小然后再增大, 随L₀的减小而增大(3.6<α< 4),随l₀的增加而增大.并对结果做了物理解释.