湍流大气传输高斯谢尔光束的到达角起伏

研究了在弱大气湍流起伏环境下以窄带宽高斯谢尔光束为激光光源的大气通信问题,分析了大气湍流强度和光源空间相干度对通信光束到达角起伏的影响.采用窄带宽光场的交叉谱密度函数代替光场互相干函数的近似方法和采用包含大气湍流内外尺度的简化折射率谱密度函数,得出了湍流大气中传输高斯谢尔光束的波结构函数(WSF) 和到达角起伏方差解析近似关系.分析表明,光源的空间相干度和传输光束的湍流扩展是影响高斯谢尔光束的相位起伏结构函数和传输光束到达角起伏的重要因素.     

湍流大气中激光束传播方向起伏

本文利用马尔柯夫近似导得了适用于强、弱湍流起伏区的光源空间部分相干光束到达角起伏公式.同时得到经平面镜反射的光束的漂移角和到达角起伏的一般表达式.并且讨论了强、弱湍流起伏区光束漂移角和到达角起伏的后向反射放大性质.     

光束在强湍流区中传播的到达角起伏

 基于修正Rytov理论，导出了适用于强湍流区的无限平面波和球面波的到达角起伏方差表达式及其功率谱表达式，分析了散射盘对到达角起伏的影响。研究结果表明：导出的方差表达式在弱湍流区也适用，随着Rytov方差的增加到达角起伏趋于饱和；高频功率谱的下降速度随着散射盘尺度的增加而增加。     

对流湍流池Fried相干长度的光学结构

利用不同的方法，测量并比较了用自适应光学补偿实验的对流湍流池的相干长度，给出到达角起伏谱和起伏方差的概率分布，结果表明，在对流湍流池中，光束的到达角起伏谱满足“－８／３”幂，由于相位起伏服从正态分布，因此到达角起伏的方差呈Ｘ＾２分布，到达角起伏在水平和垂直方向上的谱完全一致表明了湍流池湍流的各向同性特征，相干长度与对流湍流池上下温差的实验结果，符合以往对流湍流池的流体力学和热力学相心关系。     

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。     

强湍流区的光束漂移

 基于修正Rytov理论，导出了适应于强湍流起伏区的光束漂移方差表达式，分析了湍流外尺度、有效散射区域尺度和光束束腰对光束漂移的影响，并与实验结果进行了比较。结果表明，相对于基于指数模型的光束漂移方差表达式，基于修正Rytov理论给出的表达式的计算结果能更好地与实验结果吻合。当光束束腰大于有效散射区域尺度时，不发生饱和效应，导出的表达式与传统理论给出的表达式一致；当光束束腰小于有效散射区域尺度时，光束漂移的幅度不随Rytov方差的增大而明显变化。     

空间光通信的到达角起伏实验研究

 2006年上半年进行了距离为3 200 m的光束传输实验，对到达角起伏进行了24 h昼夜观测。实验中，每分钟进行一次连续测量，每次以1 kHz的信号采样频率连续采集10 s，得到10 000个到达角起伏实验数据，并反映了0.2~500 Hz频段的信息。根据高采样频率下的到达角起伏昼夜观测数据，分析了到达角起伏效应，并通过到达角起伏时间平滑因子，对曝光时间的平滑作用进行了研究。昼夜观测实验结果表明：在天气阴霾、能见度低的情况下，到达角起伏会显著减小；在强湍流区，到达角起伏出现饱和效应，在弱湍流区，到达角起伏的强度随着湍流强度的增加而增强；到达角起伏幅度随着曝光时间的增加而减小，由归一化协方差拟合关系得到的时间平滑因子计算结果与实验直接分析得到的结果一致。     

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.     

激光收发望远镜的几何布局对光束到达角起伏相关性的影响

大气湍流的倾斜扰动会导致光束在通过大气后到达角发生起伏。对于激光测距、激光导引星等应用场合,激光分别在发射和接收时两次通过了湍流大气。激光收发望远镜几何布局方式的不同会引起激光发射和接收光路中的倾斜相关性出现差异,最终影响接收望远镜探测到的激光到达角起伏。从激光收发望远镜布局的一般几何模型出发,利用Zernike多项式波前展开,给出了受大气湍流影响的分离孔径倾斜相关函数。分析了收发共光路与非共光路情况下,不同的几何限制导致的光束到达角起伏相关性变化。最后,讨论了不同的激光收发望远镜的几何布局对接收望远镜探测到的光束到达角起伏的影响。     

多高斯-榭尔光束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,当光源的相干性变差,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,并且光束越多,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.     

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.     

湍流廓线激光雷达的研制

 对采用光波波段测量大气湍流强度廓线的湍流廓线激光雷达进行了研究。利用焦点附近的大气瑞利后向散射作为测量信标测量湍流信息，当聚焦高度不同时，可以测得不同高度的整层信息,从而可以得到一系列高度的整层湍流信息，最后通过算法得到分层的大气湍流廓线。介绍了湍流廓线激光雷达系统的组成原理和系统结构，采用像增强器的控制系统使得系统的有效测试距离达到15 km；通过与传统测量方法的对比，得出了可以作为湍流强度廓线测量工具的结论。最后展望了该系统的应用前景。     

多光束发射对湍流效应下激光传输的影响

大气湍流引起的光强起伏会导致大气闪烁、光束漂移、到达角起伏和波前畸变等效应.多光束发射技术是克服激光大气传输中光强起伏的有效途径之一.以单光束、双光束、四光束以及八光束发射为例,通过计算峰值光强、环围功率半径以及像散参数等光束质量参数,得到单光束和多光束大气传输的光强起伏特性.结果表明:随着光束数目的增加,峰值光强显著...     

城市路径下激光光强起伏特性测量及链路余量估算

 在城市环境下进行了3.5 km的激光大气传输实验。实验中对光强起伏和到达角起伏进行了同步测量，分析了接收光强起伏的统计特性以及传输路径上大气折射率结构常数的特性。基于实验结果，对自由空间光通信中不同闪烁指数下的衰落冗余以及不同探测阈值下的衰落概率进行了估算，从而为空间光通信系统的设计提供可靠的实验基础。     

机载激光通信链路中光场二阶特性的分析计算

为了评估大气湍流对机载激光通信系统的影响,理论分析和数值计算了机载激光通信链路中传输光场的二阶特性,包括接收光斑尺寸、光斑偏移量、光束相干半径、光束到达角起伏。计算结果表明:大气湍流对空间激光通信系统的影响主要在低空对流层,并随着机载平台高度的增加而降低。由于受到低空大折射率结构常数的影响,上行链路的接收光斑尺寸、光斑漂移量比下行链路大。下行链路光束到达角抖动比上行链路大,其值为若干rad。提出的模型及计算结果,可以为机载激光通信系统设计及性能评估提供参考。     

混浊介质二维后向漫散射穆勒矩阵的测量

研制了一套实验系统用于测量混浊介质的后向漫散射穆勒矩阵.在系统中，激光被调制成所需偏振态，聚焦于混浊介质表面.利用CCD相机配合相应的偏振元件，测量入射点周围区域的后向散射光中特定偏振态的能量空间分布，并由测量值计算出介质的后向漫散射穆勒矩阵.描述了系统的组成、测量原理以及方法，分别测量了消偏振分光棱镜的反射穆勒矩阵和浓度1.5％的脂肪乳溶液的后向漫散射穆勒矩阵.实验证明:该系统能够完全消除样品表面镜面反射光的干扰，精确的测量混浊介质的后向漫散射穆勒矩阵；并可望用于生物组织的研究中.     

光束控制系统组件化仿真及运动解耦方法研究

利用激光系统组件化仿真软件构建了光束控制系统的组件化仿真框架,对几何/波动光学传输、光束定向器机架与其内部光学元件的耦合运动进行了仿真,提出了目标脱靶量数据和传感器图像自动更新、光束定向器机架与其内部多块快速倾斜镜控制驱动量自动解耦的数值仿真新方法,并在动态跟踪控制可视化过程中完成了光束定向器机架、多块快速倾斜镜驱动控制以及光学传输成像的仿真,满足了光束控制系统建模仿真的普适性、灵活性、易用性设计目标。最后,大气传输校正联合仿真实例证明:利用精跟踪、自适应光学技术能有效抑制大气低频扰动幅值,校正高频扰动的影响。     

Experimental investigation of plume expansion dynamics of nanosecond laser ablated Al with small incident angle

Experimental study of expansion dynamics of pulsed-laser ablation plasmas from Al is presented. A systematic investigation of plasma plume expansion is done. The laser beam is focused on the target with an incident angle between 0° and 20°. The results show that the plume growth is almost normal to the target surface, irrespective of the incident angle of the laser. Besides, the time evolution of the plasma plume geometry ratio at different incident angles shows that the incident angle of laser beam influences very slightly its shape at later delay time. The results imply that when the incident angle is small (ranging from 0° to 20°), the influence of the incident angle on the plume expansion is rather trivial.     

Optical Force on a Micro-Sphere by the Laser Beam from a Lensed Optical Fiber Inserted at an Angle

Optical forces acting on a micro-sphere were studied to corroborate the single-beam fiber optic trap. Transverse optical force acted to pull the micro-sphere back to the beam axis, but axial force always acted in the direction away from the optical fiber end because the laser beam from optical fiber could not be strongly focused. A stable two-dimensional optical trapping could be obtained by the weakly focused laser beam from the fiber end inserted at an angle.