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.     

部分相干电磁光束的光谱交叉偏振度

基于光谱交叉偏振度新理论,研究了部分相干光束在传输过程中光谱交叉偏振度的变化情况.采用相干偏振统一理论和广义惠更斯-菲涅耳原理,推导部分相干电磁高斯-谢尔模型光束在自由空间传输时任意空间两点的交叉谱密度矩阵的解析式.研究表明,光谱交叉偏振度的值不再仅仅局限在0～1之间,而是可为任意的非负值.传输场中的光谱交叉偏振度与光源相关参量,初始偏振度和传输距离紧密相关.当光束经过足够长的传输距离后,轴上光谱交叉偏振度不再发生变化,而是趋向一个稳定值.保持光谱交叉偏振度不变的条件与一般偏振度相同.     

多色部分相干偏心光束在non-Kolmogorov湍流中的传输

推导了多色部分相干偏心光束在non-Kolmogorov 湍流中传输的总光强、轴上光谱、相干度的解析表达式, 研究了光束偏心参数β 、湍流广义指数α和源光谱带宽Ω对激光传输特性的影响. 研究表明: β越大, 则光束重心偏离传输轴越远, 相干度的不对称性越明显, 但是, β对轴上光谱几乎没有影响; 湍流广义指数α对总光强、 轴上光谱和相干长度的影响是非单调的, 当α=3.1时, 湍流对光束传输特性的影响最大. 值得指出的是: 在某些传输距离处, 不同α对应的轴上光谱位移量相同; 在某些传输距离处, 轴上光谱位移量为零, 且该传输距离与Ω无关, 但湍流使得该传输距离缩短. 所得结论对多色部分相干偏心光束在 湍流大气中传输的相关应用具有重要意义. 关键词： non-Kolmogorov湍流 多色部分相干偏心光束 光谱强度 相干度     

部分相干电磁光束在湍流介质中传输的偏振变化

 从推广的惠更斯-菲涅尔原理出发，推导出了部分相干电磁光束的偏振态在湍流介质中传输的表达式。并以电磁高斯-谢尔模型(EGSM)光束为例，研究了湍流对电磁高斯-谢尔模型光束偏振态的影响。研究结果表明，对于轴上点，湍流介质的折射率结构常数越大，偏振度趋于最大值的速度越快，达到的最大值越小；光斑越大，偏振度达到最大值的位置离光源越远，在光斑增大的过程中，偏振度所达到的极大值会先增大后减小，最后保持与光源相同的偏振度不变。对于轴外点，一个固定的z，光的偏振度随着离轴距离的增大而逐渐下降，并最终等于零。折射率结构常数越大，偏振度随离轴距离的增大而下降得越缓慢；光斑越大，偏振度随离轴距离的增大下降得越快。     

部分空间相干部分光谱相干厄米-高斯脉冲电磁光束的偏振特性

基于非稳态场的相干理论,对部分空间相干部分光谱相干二维厄米-高斯脉冲电磁光束在自由空间传输时的偏振特性做了详细的数值研究.结果表明,脉冲电磁光束的偏振度分布由光束阶数、光束的空间相关长度、时间相干长度和场点位置等因素共同决定.研究表明,当空间相关长度趋于零或无穷大时,轴上点偏振度趋于一固定值,与光束阶数和场点位置无关....     

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.     

非傍轴双曲余弦-高斯脉冲电磁光束远场特性

利用矢量瑞利-索末菲衍射积分公式,推导出了非傍轴部分空间相干部分光谱相干双曲余弦-高斯(ChG)脉冲电磁光束在自由空间传输时交叉谱密度矩阵的远场解析公式,并用来表示脉冲电磁光束的光谱密度(光强)和偏振度。结果表明,对非傍轴远场部分空间相干部分光谱相干ChG脉冲电磁光束,其非傍轴性主要由参数f, f决定,而离心参数、脉冲宽度和时间相干长度影响其非傍轴行为。非傍轴部分空间相干部分光谱相干高斯-谢尔模型脉冲电磁光束的远场传输可作为特例处理。     

非Kolmogorov大气湍流对部分相干厄米高斯光束传输因子的影响

基于非Kolmogorov谱模型,利用广义惠更斯-菲涅耳原理和维格纳分布函数的二阶矩定义,推导出部分相干厄米高斯(H-G)光束在非Kolmogonov大气湍流中传输因子的解析表达式,并用以研究了非Kolmogorov大气湍流对部分相干H-G光束传输因子的影响。结果表明,部分相干H-G光束在非Kolmogorov大气湍流中传输时,传输距离、湍流外尺度、广义结构常量和空间相关长度越小,湍流内尺度和光束阶数越大,光束传输受非Kolmogorov大气湍流影响越小,光束质量越好。当广义指数取3.11时,部分相干H-G光束在传输过程中表现的光束质量最差。     

大气湍流对部分相干厄米-高斯光束空间相干性的影响

基于广义惠更斯-菲涅耳原理,并采用Rytov相位结构函数二次近似,推导出了部分相干厄米-高斯(H-G)光束通过大气湍流传输的光谱相干度公式,研究了湍流对光束的空间相干特性的影响.研究表明,部分相干H-G光束通过大气湍流传输其光谱相干度会出现振荡和相位奇异现象,但随着湍流的增强,振荡减弱,直至振荡和相位奇异现象消失,这一特性与高斯-谢尔模型光束的差异很大.光束的相干参数越小,光束空间相干性受湍流的影响也越小.此外,还研究了光谱相干度二阶矩宽度与光谱强度二阶矩宽度间的关系,得到一些有意义的结果,并给出了合理的 关键词： 部分相干厄米-高斯光束 大气湍流 光谱相干度 二阶矩宽度     

Changes in the statistical properties of stochastic anisotropic electromagnetic beams propagating through the oceanic turbulence

On the basis of the extended Huygens?CFresnel principle, an analytical propagation expression for the elements of the cross-spectral density matrix of a stochastic anisotropic electromagnetic beam through oceanic turbulence is derived. From this formula the spectral density, spectral degree of coherence, spectral degree of polarization, orientation angle and the degree of ellipticity of such a beam on propagation are determined. Some numerical calculations are illustrated relating to the anisotropic electromagnetic Gaussian Schell-model beams propagating through oceanic turbulence. The results indicate that the spectral degree of coherence of stochastic anisotropic electromagnetic beams tends to zero with increasing propagation distance through oceanic turbulence, which is in agreement with results previously reported for turbulent atmosphere. It is also found that the changes in the statistical properties of the anisotropic source on propagation are qualitatively different from those of the isotropic source.     

像散Bessel光束自重建特性的理论和实验研究

基于菲涅耳衍射积分理论和巴比涅原理,推导出像散Bessel光束经圆形障碍物后的光强分布一般表达式.数值模拟了像散Bessel光束经圆形障碍物遮挡后光场的自重建过程,并设计相关实验进行验证,实验结果与理论模拟基本符合.结果表明：零阶像散Bessel光束经过轴上和离轴障碍物后均会发生光束重建现象.随着传输距离的增加,像散Bessel光束的外轮廓尺寸变大、中心光点阵列数增多,逐渐重建出不同于障碍物前的完整光束.并且观察到光束在重建过程中横向和纵向的重建速度并不一致,存在一定的速度差.利用螺旋相位板产生高阶像散Bessel光束,验证了高阶像散Bessel光束经障碍物遮挡后同样具有自重建特性.研究结果对像散Bessel光束在多层面粒子操纵方面的应用具有参考价值.     

Propagation of modified Bessel-Gaussian beams in turbulence

We investigate the propagation characteristics of modified Bessel-Gaussian beams traveling in a turbulent atmosphere. The source beam formulation comprises a Gaussian exponential and the summation of modified Bessel functions. Based on an extended Huygens–Fresnel principle, the receiver plane intensity is formulated and solved down to a double integral stage. Source beam illustrations show that modified Bessel-Gaussian beams, except the lowest order case, will have well-like shapes. Modified Bessel-Gaussian beams with summations will experience lobe slicing and will display more or less the same profile regardless of order content. After propagating in turbulent atmosphere, it is observed that a modified Bessel-Gaussian beam will transform into a Bessel-Gaussian beam. Furthermore it is seen that modified Bessel-Gaussian beams with different Bessel function combinations, but possessing nearly the same profile, will differentiate during propagation. Increasing turbulence strength is found to accelerate the beam transformation toward the eventual Gaussian shape.     

Propagation of partially coherent Bessel-Gaussian beams in turbulent atmosphere

The characteristics of partially coherent Bessel-Gaussian beams propagating in turbulent atmosphere are investigated. Based on the extended Huygens–Fresnel principle, the influence of topological charges and coherence of the source on the intensity and the degree of coherence in the received plane are considered. The influence of atmospheric turbulence on beam profile and coherence in the received plane is also analyzed. It is found that a Bessel-Gaussian shaped intensity distribution will eventually transform into a Gaussian distribution after propagating in turbulent atmosphere. Meanwhile, topological charges, coherence of the source and atmospheric turbulence will also influence the propagation characterizations of the beams.     

Effect of oceanic turbulence on polarization of stochastic beams

On the basis of the extended Huygens-Fresnel principle and the unified theory of coherence and polarization of light we determine the changes in various polarization properties of stochastic beams propagating through the turbulent clear-water ocean. The ocean-induced fluctuations in the refractive index are described via the recently developed power spectrum which takes into account both temperature and salinity variations. Numerical examples of changes in the spectral density, the degree of polarization and in the polarization ellipse are given for electromagnetic Gaussian Schell-model beams. We demonstrate, in particular, how polarization of the propagating beam is affected by statistical properties of the source and by several parameters of oceanic turbulence. We find that propagation of light beams in the oceanic turbulence resembles that in the atmospheric turbulence qualitatively, however evolution and asymptotic saturation of polarization in the oceanic turbulence occurs at much shorter distances.     

汉克-贝塞尔光束在海洋湍流信道中的螺旋相位谱分析

携带轨道角动量的汉克-贝塞尔(Hankel-Bessel,HB)光束具有无衍射和自聚焦特性,用来作为信息传输的载体有望增大信息传输容量.基于Rytov近似理论,推导得到了HB涡旋光束经过海洋水平弱湍流信道后的螺旋相位谱的解析表达式,并利用数值仿真方法研究了海洋湍流参数对轨道角动量模式探测概率的影响.结果表明,海洋湍流导致发射轨道角动量模式的探测概率下降,出现模式串扰和螺旋相位谱扩展.海洋湍流对HB涡旋光束的负面影响随着轨道角动量模式数、传输距离、温度方差耗散率的增加而增强,随湍流动能耗散率的增加而减弱.HB涡旋光束受以盐度波动驱动的海洋湍流的负面影响更大.另外,在弱湍流及几十米传输距离条件下,HB涡旋光束的传输性能要差于最佳束腰大小设置的拉盖尔-高斯涡旋光束.这些结果有望为海洋环境水下光通信链路的实现提供一定的参考价值.     

部分相干环状偏心光束通过海洋湍流的传输特性

推导出了部分相干环状偏心光束在海洋湍流中传输的平均光强和光束质心位置的解析表达式, 并给出了最大光强位置满足的传输方程. 研究发现: 经足够长距离传输后, 在自由空间中最大光强位置比光束质心更靠近传输z轴, 并且其位置随着光束相干参数的增大而靠近传输z 轴, 随着光束偏心参数和遮拦比的增大而远离传输z轴. 但是, 在海洋湍流中最大光强位置趋于质心位置, 并且海洋湍流的增强会加速最大光强位置趋于质心位置的进程. 在海洋湍流中光束的相干性对光束传输特性的影响明显减小. 另一方面, 光束质心位置与光束的相干性、光束传输距离以及海洋湍流均无关系, 并且光束质心位置随着光束偏心参数和遮拦比的增大而远离传输z 轴. 所得结果对工作于水下湍流环境中的部分相干环状偏心光束的应用具有重要意义.     

Influence of oceanic turbulence on propagation characteristics of Gaussian array beams

Based on the power spectrum of oceanic turbulence proposed by Nikishov, the influence of oceanic optical turbulence on propagation of Gaussian array beams is studied in detail by using five propagation characteristic parameters (i.e., mean-squared beam width, Rayleigh range, turbulence distance, power in the bucket and Strehl ratio). It is shown that the influence of oceanic optical turbulence on propagation of laser beams becomes stronger as τ (ratio of temperature to salinity contribution to the refractive index spectrum) and χ_T (rate of dissipation of mean-squared temperature) increase and ɛ (rate of dissipation of kinetic energy per unit mass of fluid) decreases, which is in agreement with the further analysis of oceanic turbulence shown in this paper. Furthermore, it is concluded that propagation of laser beams is more affected by oceanic optical turbulence in abyssal region than that in active region or oceanic surface.