部分相干光通过强湍流对光强闪烁的影响

在Rytov方差的基础上，利用Andrews的唯像闪烁模型，推导出部分相干光通过强大气湍流后的对数光强起伏方差，并在此基础上进行了仿真。结果表明：与光源的相干性变差，即变为部分相干光后，对数光强起伏方差变小；当采用多束部分相干光通过大气湍流时，接收面上光强起伏方差得到明显改善，而且光束越多，改善越明显。但利用部分相干光通信时，传输距离受限制，所以，光源的相干参数选择要适当。     

部分相干光在大气湍流中的光强闪烁效应

以修正Rytov方法为基础,利用部分相干高斯-谢尔(GSM)光束模型并结合Andrews的唯像闪烁模型,研究部分相干光在大气湍流中的光强闪烁效应。推导出适用于不同湍流情形的部分相干光对数光强起伏方差表达式,系统分析了部分相干光在大气湍流中的光强起伏方差。结果表明:在同等的湍流环境下,部分相干光比完全相干光的光强起伏方差要小;光束相干性越差,光强起伏越小,抗湍流能力越强。在不同大气湍流情形下,光源相干性、大气折射率常数等参数对光强起伏都有不同程度的影响。     

部分相干光在大气湍流中的到达角起伏

研究了部分相干高斯谢尔光束在大气湍流中的到达角起伏.主要采用湍流内外尺度的修正Von Karmon谱模型及广义惠更斯-菲涅尔原理和交叉谱密度函数推导出了部分相干光在大气湍流中的到达角起伏表达式.对比分析了湍流内外尺度、湍流强度、传输距离、源相干参数以及波长等参数对部分相干光在大气湍流水平路径上传输时的到达角起伏的影响.结果表明:随着传输距离的增加,到达角起伏越来越小;随着大气湍流内外尺度和源相干参数的增加,到达角起伏也越来越大;与部分相干光相比,完全相干光的到达角起伏受湍流影响很小;随着波长和湍流强度的减小,到达角起伏越来越小.     

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.     

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。     

湍流大气中激光传输光强起伏特征研究

通过实验观测了湍流大气中光束准直传输时光束横截面上不同面积内的光强起伏特征。采用相对光强起伏方差与孔径平滑因子描述不同面积内的光强起伏特征并比较了不同湍流条件和不同面积内相对光强起伏方差的概率分布密度。实验结果表明,在该实验条件下明显出现孔径平滑效应时对应接收面积呈现湍流越强接收面积越小的规律;不同接收面积内相对光强起伏方差概率分布密度可以用对数高斯分布近似,不同接收面积和湍流强度下近似程度不同;采用偏斜度和陡峭度来描述接收面积不同和湍流强度不同时概率分布密度与对数高斯分布的偏差并比较了拟合曲线特征的变化。同时初步比较了连续光与脉冲光相对光强起伏方差概率分布的异同。     

部分相干光在大气湍流中斜程传输路径上的展宽与漂移

基于Andrews和Philips经典漂移方差模型,利用部分相干高斯-谢尔光束在大气湍流中斜程传输的光束扩展半径,推导出考虑外尺度情况时部分相干高斯-谢尔光束斜程情况下的漂移方差表达式,应用随高度变化的大气结构常量模型进行数值计算,对比分析了部分相干光和完全相干光在大气湍流中的展宽和漂移特性.结果表明:相同的传输条件下,部分相干光比完全相干光的光束扩展更迅速,受湍流的影响也更小;初始半径越大,接收机高度越高,光束的扩展效应越小;随着传输距离的增大,光束的质心漂移方差随光束初始半径的增大而减小,不同相干性的光束漂移方差变化很小;完全相干光的光束漂移受波长的影响较小,而部分相干光的波长越长,漂移越明显.     

部分相干光与相干光在湍流中的传输特性实验研究

相干光经湍流传输引起光强闪烁效应,理论研究表明利用部分相干光可降低该影响,而相关的实验验证鲜有报道。利用水介质的对流湍流池模拟产生了Rytov方差为0.04~0.16的湍流,进行了弱起伏区湍流中部分相干光及相干光的传输实验,由接收光强计算出其光强闪烁指数随湍流Rytov方差的变化关系。实验结果表明:随着湍流强度的增加,部分相干光与相干光的闪烁效应均增强,但部分相干光的闪烁指数小于相干光。将实验数据与Andrews等人建立的闪烁指数理论模型进行比较,得出了较为一致的结论。     

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.     

部分相干光通过强湍流对通信系统误码率的影响

为研究部分相干光通过强湍流对系统误码率的影响,借助对激光在大气湍流场中的传输方程进行解析求解(忽略系统中其他噪声,仅考虑由大气湍流引起的系统误码率),得到不同湍流内尺度、传输激光波长和光源相干参数条件下,系统误码率和传输距离的关系.结果表明:在强湍流条件下,当发射天线数目达到一定时,随着传输距离的增加,系统误码率逐渐增大,但增大到一定程度后趋于饱和;光源相干参数越大,系统误码率越低;湍流内尺度越大,系统误码率越高;传输激光波长的变化对系统误码率无明显影响.     

部分相干光被环形透镜聚焦而产生的焦移

 从理论上研究部分相干光被一环形透镜聚焦，在焦点附近的轴上点的光强分布。研究结果表明，当部分相干光被一环形透镜聚焦时，最大聚焦光强不在几何焦点，而是位于透镜与几何焦点之间，出现焦移现象。并且，焦移量不仅依赖于透镜外半径的菲涅耳数，还依赖于部分相干光的空间相干度和中心拦截比。透镜的菲涅耳数越小，焦移越大；部分相干光的空间相干度越低，焦移越大。当菲涅耳数一定时，环形透镜的中心拦截比越大，焦移越大；当空间相干度很小时，情况就变得比较复杂。     

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     

Phase singularities and coherence vortices in linear optical systems

It is demonstrated for a time-invariant linear optical system that there exists a definite connection between the optical vortices (phase singularities of the field amplitude) which appear when it is illuminated by spatially coherent light and the coherence vortices (phase singularities of the field correlation function) which appear when it is illuminated by partially coherent light. Optical vortices are shown to evolve into coherence vortices when the state of coherence of the field is decreased. Examples of the connection are given. Furthermore, the generic behavior of coherence vortices in linear optical systems is described.     

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.     

Coherence polarization filtering and relation with intrinsic degrees of coherence

It is demonstrated for stationary fields that when the polarization state of the electric field can be modified arbitrarily the maximal value of the modulus of the degree of coherence proposed by Wolf [Phys. Lett. A312, 263 (2003)] is equal to the largest intrinsic degree of coherence. In addition, when the light is a mixing of a coherent light that satisfies the factorization condition in the two spatial variables with a statistically uncorrelated, partially coherent, perfectly polarized light, but with a nonparallel polarization state, we show that the polarization modifications that maximize the modulus of the Wolf degree of coherence lead to a light that also satisfies the factorization condition.     

部分相干修正贝塞尔高斯光束通过光阑透镜的光谱特性

基于部分相干光的传输理论，研究了部分相干修正贝塞尔高斯光束（MBGB）通过光阑透镜系统后,轴上光谱位移及光谱开关.数值计算结果表明，光谱开关主要与截断参量、光束菲涅耳数以及光谱相干度有关.光谱开关的个数随着光束菲涅耳数以及截断参量的增大将增多，而随光谱相干度的增大而减少.但当截断参量增大到一定值时，光谱开关将消失.例如，当光谱相干度取0.5时，截断参量大于2.2，光谱开关将消失，仅表现出蓝移.     

The transformation of an edge dislocation in atmospheric turbulence

The explicit expression for the cross-spectral density of partially coherent elliptical Gaussian beams carrying an edge dislocation propagating through atmospheric turbulence along a slant path is derived, and used to study the transformation of the edge dislocation in atmospheric turbulence. We find that the edge dislocation disappears and transforms to a noncanonical coherence vortex, when partially coherent elliptical Gaussian beams with edge dislocation propagate through atmospheric turbulence. The inversion of the topological charge of the coherence vortex may take place. The ellipticity of the beam and slope of the edge dislocation play a dominant role in the evolution of the coherence vortex. In the coherent limit the coherence vortex in turbulence becomes an intensity vortex, however, differing from the case in free-space propagation, the position of the intensity vortex depends on the choice of the reference point. The results are illustrated analytically and numerically.     

Composite coherence vortices and their propagation in free space

Taking Gaussian Schell-model (GSM) background vortex beams as an example of partially coherent vortex beams, the composite coherence vortices resulting from the superposition of the cross-spectral density function of two parallel, noncollinear partially coherent vortex beams and their propagation in free space are studied, and the main attention is paid to the effect of relative off-axis distance, coherence parameter and propagation distance on the composite coherence vortices. The number and location of composite coherence vortices vary by changing the relative off-axis distance, coherence parameter or propagation distance. In the coherent limit, the composite coherence vortex becomes the composite optical vortex.