发射系统遮拦比对均强聚焦光束光斑扩展的影响

 利用数值模拟方法讨论了发射系统遮拦比对均强聚焦光束湍流大气传输光斑扩展的影响。结果表明，对于均强聚焦光束湍流大气传输，在弱湍流效应条件下，光斑扩展受遮拦比影响较大；在较强湍流效应条件下，不同遮拦比光斑扩展变化趋势相同，此时远场光斑扩展主要还是受湍流效应强弱的影响。获得了常用遮拦比条件下均强聚焦光束光斑扩展和湍流效应特征参数的定标关系。     

聚焦光束大气传输光束扩展定标规律的数值分析

选取多种典型激光传输条件下的计算参量，对平台光束聚焦大气传输湍流热晕相互作用引起的光束扩展进行了数值分析.热畸变的产生是在快速变化的湍流扩束作用之后，在此假定的基础上，建立了描述聚焦光束大气传输光束扩展与大气传输特征物理参量的定标关系.在了解激光发射系统的特征参量和大气传输效应的特征参量之后，即可由定标关系迅速判断激光大气传输的效果，从而为激光工程系统的参量优化设计及其应用效能评估提供依据. 关键词： 湍流效应 热晕效应 光束扩展 定标规律     

光学相关论题 大气光学

P427．1 2005032388 跟踪抖动对激光湍流大气传输光束扩展的影响=Effect of tracking jitter on the beam spreading induced by atmos- pheric turbulence[刊,中]／黄印博(中科院安徽光机所大气 光学中心．安徽,合肥(230031)),王英俭∥光学学报．- 2005,25(2)．-152-156 对发射系统的跟踪抖动对激光湍流大气传输光束扩 展的影响进行了数值分析,并且得到了跟踪抖动对光束扩     

湍流大气传输中跟踪抖动对远场影响的仿真研究

分析了跟踪抖动对湍流大气传输远场光斑的影响。基于麦克斯韦电磁场理论,采用大气相干长度对大气湍流进行描述,推导了发射光束因跟踪抖动导致光轴偏离的远场表达式。在此基础上,利用相位屏法模拟抖动引起的倾斜相位和大气折射率起伏引起的相位调制,并采用低频补偿的功率谱反演法对传输过程进行了数值仿真。分析了不同跟踪抖动、湍流强度条件下远场光斑质心脱靶量的变化,以及不同尺寸模拟目标的回波概率。分析结果表明,在传输距离为10 km时,强湍流造成的远场光斑脱靶量可达几十μrad;当跟踪抖动较大时,湍流强弱对脱靶量影响差别很小。最后,对一定尺寸的模拟目标,从探测回波概率的角度给出了发射系统跟踪抖动量的控制范围。     

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     

部分相干厄米-双曲正弦-高斯光束通过湍流大气传输的平均光强分布演化和角扩展

推导出部分相干厄米-双曲正弦-高斯(H-ShG)光束通过湍流大气的平均光强和角扩展的解析表示式，并用以研究了部分相干H-ShG光束在湍流中的平均光强分布演化和角扩展. 结果表明，折射率结构常数C²_n的增加和空间相关长度σ₀的减小都会加速演化过程. 引入相对角扩展来定量描述光束抗拒湍流的能力. 空间相关长度σ₀，束腰宽度w₀和双曲 关键词： 平均光强分布演化 角扩展 湍流大气 部分相干厄米-双曲正弦-高斯(H-ShG)光束     

大气湍流尺度对部分相干光传输特性的影响

本文在考虑湍流内外尺度的情况下,对部分相干高斯谢尔模型光束在大气湍流中的传输特性进行了研究.主要采用考虑湍流内外尺度的修正Von Karmon谱模型,推导了部分相干光在大气湍流中的平均光强分布、光束扩展均方根束宽和漂移方差的解析式.对比分析了不同湍流强度情况下,湍流内外尺度对部分相干光在大气湍流中水平和斜程路径上传输特性的影响.结果表明:相同条件下,光束在大气湍流中传输时,沿斜程传输时的抗湍流能力强于水平传输;相比于大气湍流内尺度,大气湍流外尺度对光束漂移影响较大,外尺度对光束扩展与光强分布的影响较小,当湍流外尺度增大时,漂移现象会越来越严重;相比于大气湍流外尺度,湍流内尺度对光束扩展与光强分布的影响较大,当内尺度减小时,光束扩展现象越来越严重,光强分布也更分散,内尺度对漂移几乎无影响.     

非Kolmogorov大气湍流对高斯列阵光束扩展的影响

本文推导出了高斯列阵光束在非Kolmogorov大气湍流中传输的瑞利区间zR、湍流距离zT和远场发散角θ的解析表达式,研究了非Kolmogorov湍流的广义指数α和列阵光束的合成方式对高斯列阵光束扩展的影响.研究表明:不论相干还是非相干合成高斯列阵光束,zR,zT和θ均随着α的增加而呈非单调变化.当α=3.108时,zR和zT取极小值,而θ取极大值,即当α=3.108时高斯列阵光束扩展最厉害,光束扩展受湍流影响也最厉害.非相干合成高斯列阵光束扩展比相干合成的要大,但受非Kolmogorov湍流影响却要小.特别值得指出的是:当自由空间光束衍射较小时,有zTzR,即在瑞利区间范围内大气湍流就对光束扩展有影响;而当自由空间光束衍射较大时,有zTzR,即在瑞利区间范围内大气湍流对光束扩展几乎没有影响.     

高能固态激光非Kolmogorov湍流大气传输光斑扩展的数值分析

采用高能激光大气传输四维仿真程序模拟计算了高功率固态激光在非Kolmogorov湍流大气中聚焦传输时的湍流与热晕效应。数值分析了接收平面处光斑的63.2%环围能量半径、光束质量因子随非Kolmogorov湍流谱指数α和传输起伏强度D/r0的变化,比较了非Kolmogorov湍流与Kolmogorov湍流条件下激光传输结果的相对偏差。结果表明:非Kolmogorov湍流谱指数α越小,湍流效应和湍流热晕综合效应导致的光斑扩展越大,光束的能量集中度越低;已建立的描述聚焦高斯光束大气传输光束扩展的定标关系式在非Kolmogorov湍流条件下不再成立;在传输参数条件下,仅考虑湍流效应时,非Kolmogorov湍流与Kolmogorov湍流下光斑半径的相对偏差最大值可达87.7%,存在热晕时的最大相对偏差达43.7%,可见热晕降低了两种情况下传输结果的相对偏差。     

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     

Aperture averaging beam-wander of multi-Schell quantization beam in a turbulent atmosphere

We study the effects of the mode number of the multi-Schell Gaussian model beams on aperture averaging wander of quantization Gaussian beams propagating through weak turbulence fluctuation channel. The results demonstrate that there is an optimal sub-Schell beam number M_opt, in here the beam wander is minimum. Because of the beam spreading of turbulence and vacuum diffraction, and aperture smoothing effect of the multi-beam jitter, the impact of zenith angle of channel and turbulent outer scale on the beam wander is tiny. The beam wander of the multi-Schell Gaussian model beams is increased as the increasing of the wavelength λ.     

特殊函数在湍流大气传输光束漂移中的应用

研究特殊函数在激光湍流大气传输光束漂移效应中的应用，为提高跟瞄系统的瞄准精度提供理论依据。基于特殊函数和修正Von Karman谱，对斜程湍流大气传输光束漂移方差表达式进行了数值仿真。数值模拟表明，特殊函数高次项的近似舍去对激光湍流大气传输光束指向精度影响甚微。在外尺度较小时,光束漂移方差变化较快；随着外尺度的增加，光束漂移增加缓慢且趋于饱和。在相同的外尺度下，发射孔径（初始光束束径）与发射天顶角的增大对光束漂移具有抑制作用，且天顶角接近π/2，光束漂移角方差快速减小。     

破碎光斑特征统计分析

激光在传输的过程中,光斑受到大气湍流的影响,会“破碎”成若干碎片。对发射光束取不同形状和不同光束质量时,在不同湍流强度情况下的传输进行了计算,并对碎斑特征进行统计分析。结果表明,随光束质量变差和湍流强度的增强,总光斑扩大,碎斑数目增多,占空比减小,而碎斑半径变化不大,约为真空衍射包含总能量63.2%的光桶半径。针对这一现象,从薄环光束真空衍射、双孔衍射、将光场分解为不同频率场的叠加和实心束强湍流等四种情况分别进行了讨论,给出了初步的理论分析。     

大气激光通信中稳定跟踪技术研究

 为了研究大气激光通信中稳定跟踪所采用的器件及有效跟踪方法,分析了光束定位探测器件(电荷耦合器件和四象限光电探测器)的灵敏度特性,结合影响大气激光通信跟踪系统性能的五种大气湍流效应,分别讨论了光束漂移、光强起伏、光斑弥散、到达角起伏及光束扩展的原理.对质心跟踪算法和形心跟踪算法定位准确度的影响进行分析,得到在大气条件下形心算法的跟踪误差小于质心误差的结论,并通过实验进行了验证.     

Long- and short-term average intensity for multi-Gaussian beam with a common axis in turbulence

With the help of the extended Huygens--Fresnel principle and the short-term mutual coherence function, the analytical formula of short-term average intensity for multi-Gaussian beam (MGB) in the turbulent atmosphere has been derived. The intensity in the absence of turbulence and the long-term average intensity in turbulence can both also be expressed in this formula. As special cases, comparisons among short-term average intensity, long-term average intensity, and the intensity in the absence of turbulence for flat topped beam and annular beam are carried out. The effects of the order of MGB, propagation distance and aperture radius on beam spreading are analysed and discussed in detail.     

氟化氘激光大气传输的定标规律

 利用激光大气传输4维程序，结合均方和半径分析方法，对氟化氘（DF）激光大气传输的定标规律进行了数值分析。得到了焦平面处63.2%环围能量半径的光斑扩展规律以及在焦平面上不同环围能量半径内的平均功率密度定标关系式。此定标关系不仅适用于大菲涅耳数、弱传输效应条件下，同时也适用于小菲涅耳数、强传输效应条件下DF高能激光大气传输，从而能够对激光大气传输的效果做出快速地预测和有效地评估。     

Intensity distribution properties of Gaussian vortex beam propagation in atmospheric turbulence

By using wave optics numerical simulation, the intensity-hole effect, beam spreading and wandering properties of Gaussian vortex beam propagation in atmospheric turbulence are investigated quantitatively. It is found that an intensity hole in the center of the beam pattern appears gradually as a Gaussian vortex beam propagates. The size of the intensity hole increases with the increase of the topological charge of the vortex phase. However, the intensity hole could to some extent be filled with optical energy by atmospheric turbulence, especially in strong turbulence. The radius of the intensity hole first decreases and then increases with the growth of turbulence strength. The effective radius of vortex beam with larger topological charge is greater than with a smaller topological charge. But the topological charge has no evident influence on beam wandering.