部分相干Airy光束在湍流大气中传输时的偏振特性

研究了部分相干Airy光束在湍流大气中传输时的偏振特性,偏振保持度作为衡量偏振传输效果的一个重要参数.结果表明:部分相干Airy光束在湍流大气中传输足够远时,其偏振度会变回到初始值;而在自由空间中传输,光束的偏振度会保持在某一个特定值;在湍流大气中,当光束传输距离不是很远时,光束对称轴上的偏振度分布为Airy函数,但是当传输足够远时,该偏振度分布逐渐趋向于类高斯状;光束的束腰半径越大,相干长度越长,越有利于光束传输后偏振的保持;存在一个指数截断因子,使得光束的偏振保持度很差.这些结论对于Airy光束在通信领域中的应用具有重要的意义.     

光阑对高斯谢尔模型光束偏振特性的影响

根据光束的相干-偏振矩阵理论,应用柯林公式对部分相干光经光阑衍射后的轴向、横向偏振特性从近场区到远场区的演化规律进行了详细的数值计算。经研究表明,由于光阑的衍射效应,使得高斯谢尔模型光束的偏振出现非均匀分布,光束偏振度沿轴向、横向分布出现多峰振荡现象,并且随着光阑截断参数的减小、光束空间相干长度的增大和传输距离的增大,多峰振荡逐渐增强。光束在自由空间沿轴向传输时,在近场区偏振度分布均匀,与源平面相同,随着传输距离的增大和空间相干长度的减小,偏振度沿轴向分布逐渐增大,无振荡现象。     

部分相干平顶光束经光阑衍射的偏振特性

根据光束的相干-偏振矩阵和传输理论,对部分相干平顶光束经正多边形光阑衍射的偏振特性进行了系统的研究.给出了部分相干平顶光束偏振度传输公式,并将高斯-谢尔模型光束以及部分相干平顶光束在自由空间传输的偏振度作为特例统一于一般表达式中.研究表明：部分相干平顶光束经光阑衍射的偏振特性与光阑截断参数、光束的空间相干性、衍射角、传输距离、平顶光束的阶数有关. 关键词： 部分相干平顶光束 偏振特性 相干-偏振矩阵 正多边形光阑 光阑衍射     

湍流对椭圆偏振激光传输中偏振特性的影响分析EI北大核心CSCD

根据推广的惠更斯-菲涅耳原理和Rytov相位结构函数二次近似,推导出高斯-谢尔模型光束在湍流大气传输中交叉谱密度矩阵的表达式,研究了湍流对椭圆偏振高斯-谢尔模型光束传输中的偏振特性影响,并与部分偏振高斯-谢尔模型光束进行了对比分析.结果表明,相对于部分偏振高斯-谢尔模型光束,椭圆偏振高斯-谢尔模型光束在湍流大气传输中偏振度、方位角以及椭圆度的变化受湍流的影响较小.同时得到椭圆偏振高斯-谢尔模型光束在湍流大气斜程传输中偏振度的变化幅度比部分偏振高斯-谢尔模型光束的小,而方位角和椭圆度的变化幅度比部分偏振高斯-谢尔模型光束的大.     

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.     

部分相干平顶光束经光阑衍射的偏振特性

根据光束的相干-偏振矩阵和传输理论，对部分相干平顶光束经正多边形光阑衍射的偏振特性进行了系统的研究.给出了部分相干平顶光束偏振度传输公式，并将高斯-谢尔模型光束以及部分相干平顶光束在自由空间传输的偏振度作为特例统一于一般表达式中.研究表明：部分相干平顶光束经光阑衍射的偏振特性与光阑截断参数、光束的空间相干性、衍射角、传输距离、平顶光束的阶数有关.     

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。     

大气湍流中部分相干光束上行和下行传输偏振特性的比较

以部分相干的电磁高斯-谢尔模型(electromagnetic Gaussian-Schell model, EGSM) 光束为研究对象, 根据相干和偏振的统一理论以及随机光束的Stokes参量, 推导出EGSM光束在大气湍流中斜程传输时的偏振度(degree of polarization, DoP)和偏振方向角的表达式, 研究了大气湍流中上行和下行传输时EGSM光束偏振特性的不同. 研究结果表明: 在相同条件下, EGSM 光束下行传输时整个光场DoP的分布比上行传输要集中; 下行传输时轴上点的DoP达到最大值所对应的传输距离长于上行传输. 可以看出, EGSM光束沿下行路径传输时, 探测器可以接收更远距离处的波束传输信息.     

斜程大气中聚焦J0相关部分相干光束的传输特性

采用部分相干光交叉谱密度理论,给出了适用于任意大气湍流条件的斜程湍流大气传输J₀相关部分相干光束在接收面内的长期平均光强分布、光束长期扩展和质量因子的解析表达式,分析了天顶角、传输距离、光源相干性以及湍流外尺度对接收面光强分布特性和光束扩展的影响.研究结果表明：在天顶角和传输距离一定的条件下,通过选择合适的光源相干性可控制焦面光强为平顶分布或中心光强为最大;在传输距离给定的条件下,随着天顶角或大气湍流外尺度的增加,焦斑光强分布均由中央凹陷分布逐渐变为高斯分布.焦面附近光强的中央凹陷比焦面的中央凹陷浅.J₀相关部分相干光束实际焦斑位置随天顶角、湍流外尺度的增加以及相干性减弱而移向发射端. 关键词： 部分相干束 大气湍流 0相关')" href="#">J₀相关 斜程传输     

斜程大气中聚焦J0相关部分相干光束的传输特性

采用部分相干光交叉谱密度理论,给出了适用于任意大气湍流条件的斜程湍流大气传输J0相关部分相干光束在接收面内的长期平均光强分布、光束长期扩展和质量因子的解析表达式,分析了天顶角、传输距离、光源相干性以及湍流外尺度对接收面光强分布特性和光束扩展的影响.研究结果表明:在天顶角和传输距离一定的条件下,通过选择合适的光源相干性可控制焦面光强为平顶分布或中心光强为最大;在传输距离给定的条件下,随着天顶角或大气湍流外尺度的增加,焦斑光强分布均由中央凹陷分布逐渐变为高斯分布.焦面附近光强的中央凹陷比焦面的中央凹陷浅.J0相关部分相干光束实际焦斑位置随天顶角、湍流外尺度的增加以及相干性减弱而移向发射端.     

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.     

Polarization fluctuations of partially coherent Hermite–Gaussian beams in a slant turbulent channel

The propagation of a partially coherent Hermite–Gaussian beam in a slant turbulent channel is studied. The analytical formula for the quantum degree of polarization of a partially coherent Hermite–Gaussian beam is derived based on the quantum Stokes operators and the generalized Huygens–Fresnel principle. It is shown that the zenith angle slightly affects the polarization degree of partially coherent Hermite–Gaussian beams, and the changes of polarization degree are affected by the coherence length, the detection photon-number and the ground refractive index structure parameter. Furthermore, the numerical simulations show that a partially coherent Hermite–Gaussian beam with bigger coherence length, higher photon-number level, lower beam order, shorter wavelength is less affected by the turbulence. These results indicate that one can choose the partially coherent Hermite–Gaussian beam with bigger coherence length, lower beam order, shorter wavelength, higher detection photon-number and set the size of transmitting aperture w₀$w_0$ as about 0.065 m to improve the performance of a polarization-encoded free-space quantum communication system.     

Polarization fluctuations of single photon states in a slant channel with non-Kolmogorov turbulence

Polarization properties of single photon states propagating through the non-Kolmogorov turbulence in a slant channel are studied based on the degree of polarization of quantum field. The degree of polarization of single photon states for linearly polarized quantum beam propagation in a slant turbulent channel are developed. Our results show that the effects of the outer scale fluctuations of atmospheric turbulence and the wavelength difference of the beams on the polarization can be ignored and the smaller inner scale of turbulence and larger zenith angle of communication channel will lead to larger fluctuations of the polarization of single-photon states. The effects of the inner scale of turbulence on polarization of single photon states are more significant for bigger refractive-index power and bigger zenith angles.     

湍流大气中斜程传输光场的相位特性

运用功率谱反演法对斜程传输大气湍流扰动相位屏进行了数值模拟。通过建立激光束初始畸变相位模型,从波前峰谷值和波前功率谱密度函数两个方面,对激光束通过大气湍流后的相位特性进行了研究,重点分析了湍流传输距离和天顶角对激光束波前相位分布的影响。研究结果表明:激光束在湍流大气斜程传输后,其波前相位会发生明显畸变,且空间高频相位较低频相位所占比例明显增加;通过湍流后的波前相位与传输距离及天顶角密切相关,传输距离越长,天顶角越大,相位畸变程度越大,高频相位所占比例越多。     

Propagation of partially coherent double-vortex beams in turbulent atmosphere

Based on the extended Huygens–Fresnel principle, we study the propagation properties of partially coherent double-vortex beams in turbulent atmosphere. The intensity distribution of the beams on propagation and the influence of the characteristic parameters are investigated in great detail. It is shown that when the beams propagate in turbulent atmosphere, the intensity distributions are of double-ring structure near the source plane, but they will experience change, which are determined by the topological charges, the spatial coherence, source beam width and atmospheric turbulence. These results may have applications in space optical communication.     

Propagation of cylindrical vector beams in a turbulent atmosphere

<正>Based on the extended Huygens-Presnel principle,the propagation of cylindrical vector beams in a turbulent atmosphere is investigated.The intensity distribution and the polarization degree of beams on propagation are studied. It is found that the beam profile has a Gaussian shape under the influence of the atmospheric turbulence,and the polarization distribution shows a dip in the cross section as the beam propagates in the turbulent atmosphere.It is also found that the beam profile and the polarization distribution are closely related to beam parameter and atmospheric turbulence.