像差对聚焦高斯光束大气传输轴闪烁特性的影响

采用多层相位屏的数值模拟方法,定量研究了几种典型像差对聚焦高斯光束在湍流大气中传输的轴闪烁特性的影响。研究结果表明,像散和慧差像差对远场光斑的轴闪烁分别具有较强的抑制和促进作用,较强的慧差和像散能分别提前和延后光斑轴闪烁饱和的出现。湍流较弱时的聚焦高斯光束大气传输光强起伏概率严重,湍流越强,光强起伏概率越接近于对数正态分布,且基本满足偏斜度为负,陡峭度为正。弱、中等湍流强度下,像差权重较大时,光强起伏概率分布主要受像差影响;像差权重系数较小时,光强起伏概率分布主要受湍流效应的影响,且各像差主要影响光强较弱区域的起伏分布情况。强湍流强度下,湍流效应对光强起伏概率分布占主要作用,趋近于对数正态分布。     

大气湍流像差散焦和像散与高斯涡旋光束焦面光强

分别研究了构成大气湍流波像差中的散焦和像散两个低阶像差对高斯涡旋激光束传输和成像的影响.采用菲涅耳-基尔霍夫衍射积分理论和大气湍流波相位结构函数的平方近似研究了聚焦高斯涡旋光束在大气湍流中散焦和像散影响下焦面光强的分布特性.导出了斜程传输条件下接收面上平均光强分布的积分表达式,并采用数值模拟方法研究湍流强度、传输距离和拓扑电荷对焦面光强的调制规律.结果表明:在弱湍流起伏区域,散焦和像散两类像差对高斯涡旋光束的光强分布影响都很小,可以忽略;在中等湍流区域,随着光束传输距离和湍流强度的增加,两类像差都导致高斯涡旋光束的光强峰值降低、束径扩展、中心暗斑扩大.当单拓扑电荷高斯涡旋光束传输时,在同等传输条件下,像散导致的光强峰值降低比散焦更严重,主亮斑区域外的次级亮环强度更大,光斑和中心暗斑扩展更明显.与单拓扑电荷光束相比较,散焦和像散导致双拓扑电荷光束的扩展更加明显,中心光斑更大,亮环区域外的次级亮环更明显;但是,由于光的相干性的降低和光束的偏折效应,像散导致光束中心的暗斑变为次级亮斑.     

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。     

高能激光环形光束近场和远场传输特性

为满足高能激光环形光束在近场区和远场区的实际应用需求,从电磁波衍射积分方程出发,推导了环形光束光场分布和远场光强分布表达式,并对光场分布和光强分布进行了分析,得到光强分布与高斯光束的有限孔径大小、中心遮拦比和传输距离的关系.引入大气湍流场景,采用相位屏法对环形光束在不同湍流强度下的大气传输进行了数值模拟和分析,研究了受大气湍流影响远场光斑畸变、光斑破碎、光束扩展和漂移等的增强现象.最后开展了环形光束近场区大气传输数值模拟和实验,结果表明:随着传输距离的增加,光斑中心光强越来越强,光斑逐渐趋于均匀,平均光强呈类高斯分布,近场区环形光束扩散和光斑畸变现象受大气湍流影响而增强.     

超连续谱激光在湍流大气中传输特性的数值仿真研究

采用多层相位屏的数值仿真方法,综合考虑大气衰减效应和湍流效应,研究了不同湍流强度和不同源相干度条件下超连续谱激光的光束扩展、光斑漂移以及闪烁特性,并对比分析了超连续谱激光传输与单色激光传输特性的差异.结果表明:湍流越强或源相干度越好,超连续谱激光的相对光束扩展越严重;湍流愈强,光斑漂移愈严重,但不同源相干度的超连续谱激光的质心漂移方差几乎相等;降低超连续谱激光的源相干度可以在一定程度上减弱光强起伏的闪烁效应,并降低闪烁指数对离轴距离的依赖性;与单色激光相比,湍流对超连续谱激光的光束扩展以及闪烁效应影响较弱,而质心漂移效应两者差异不明显.单色激光大气传输的数值仿真结果与理论解析结果基本吻合,在一定程度上说明了数值仿真过程的可靠性.该研究不仅提出了一种获得超连续谱激光大气传输特性规律的有效仿真手段,而且为超连续谱激光传输的工程应用提供参考.     

部分相干贝塞尔高斯光束在非柯尔莫哥诺夫湍流中的传输特性

根据广义惠更斯-菲涅耳原理,推导出了部分相干贝塞尔高斯光束在非柯尔莫哥诺夫湍流中传输时平均光强和偏振度的解析表达式,研究了部分相干贝塞尔-高斯光束在非柯尔莫哥诺夫湍流模型下的光强分布特征和偏振度变化规律,同时分析了指数项、折射率结构常量、湍流内外尺度以及拓扑荷、光源相干性等对光束传输性质的影响.数值计算表明,随着传输距离的增加,部分相干贝塞尔高斯光束的光强会从空心分布逐渐演变为高斯分布,同时光束会有一定程度的展宽.而且,当指数项值越接近于3.1,折射率结构常量越大,外尺度越大或者内尺度越小时,光强分布的演变越为迅速,展宽现象也越明显;当拓扑荷越小或者相干长度越小时,光强分布的演变越迅速,但是二者对展宽现象的影响并不明显.另外,偏振度在近距离处会经历一段振荡及升降变化过程,当距离足够远时会趋于一个稳定值,且该值等于光源平面上的初始偏振度.偏振度变化的快慢程度受指数项、折射率结构常量、湍流内外尺度、拓扑荷和相干长度等因素的影响.     

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.     

湍流大气中随机相位光束阵列的斜程传输特性

基于广义惠更斯-菲涅耳原理,理论上研究了具有随机相位的激光束阵列在湍流大气中的斜程传输特性。主要研究了湍流强度、占空比、传输高度和光束间的相位差对光束阵列平均光强的影响。研究结果表明:湍流会使合成光强减弱,光束扩展;同时,占空比越小,合成光场的峰值光强越小,即合成效果越差;随着光束间相位差的增大,主峰强度快速下降,最终合成光束近似于单束高斯光束模型。与水平传输时的结果进行了比较,结果显示大气湍流对斜程传输光束扩展的影响明显小于水平传输的情况。计算模型和结果为工程实际中合成方案的选择和评估提供了参考。     

大气湍流中高斯空心涡旋光束的焦面光强分布

运用广义惠更斯-菲涅耳原理和相位结构函数的平方近似,研究了聚焦高斯空心涡旋光束通过湍流大气传输后在焦平面内的光强分布的理论模型,同时分析了不同大气折射率结构常数C2n、聚焦距离、光束拓扑荷和湍流外尺度对焦面光强分布特性的影响.结果表明:随着聚焦距离的增加,焦面光强分布由中央凹陷状向高斯分布转变.弱湍流对焦面光强分布的影响可以忽略;高拓扑荷光束在湍流大气中传输时光波奇异性的保持较低拓扑荷奇异光束要强;随着湍流外尺度增加,焦面光强分布的中央凹陷状变浅,光强分布变平滑.     

贝塞尔高斯涡旋光束在大气湍流中的传输特性

基于广义惠更斯-菲涅耳原理,推导了贝塞尔高斯涡旋光束在湍流大气中传输时系统平均光强的解析表达式,研究了贝塞尔高斯空心涡旋光束在湍流大气中的光强传输特性,同时分析了大气湍流的强弱、涡旋光束的拓扑荷等对光束质量的影响.结果表明:贝塞尔高斯涡旋光束在大气湍流中传输时,光强分布经历几个连续的变化,相位奇异性也会在传输过程中消失,该过程与涡旋光束拓扑荷的数目、光束的束腰宽度以及大气湍流的强弱等因素密切相关.拓扑荷数目高的涡旋光束在湍流大气中传输时,其奇异性的保持较拓扑荷数目低的涡旋光束要好.另外,基于桶中功率理论,分析研究了涡旋光束的拓扑荷数目、大气湍流强弱和束腰宽度对贝塞尔高斯涡旋光束在大气湍流中传输时的光束质量的影响.     

非均匀采样的功率谱反演大气湍流相位屏的快速模拟

对大气湍流功率谱非均匀采样可以有效改善传统功率谱反演法低频采样严重不足的缺陷, 实现高精度的大气湍流相位屏的模拟. 但采用的直接求和运算计算复杂度高, 相位屏的模拟速度极慢. 将非均匀快速傅里叶变换(NUFFT)引入到大气湍流相位屏的模拟, 可以实现相位屏的快速模拟. 从随机过程的谱分解出发, 将大气湍流相位随机过程表示为有限谐波分量叠加和的均方极限. 通过一个高斯核函数的卷积, 将非均匀分布的谐波复振幅映射到均匀网格空间, 进而利用快速傅里叶变换, 降低计算复杂度, 加快大气湍流相位屏的模拟速度. 以大气湍流的Kolmogorov 谱为例, 利用NUFFT仿真得到大气湍流相位屏, 并对相位屏的模拟精度、模拟速度和误差进行统计分析. 结果表明, NUFFT的引入可以实现快速、高精度的大气湍流相位屏的模拟.     

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。     

大气湍流中光束的高阶强度矩

研究了光束通过大气湍流传输的高阶强度矩, 提出了大气湍流中光束高阶强度矩的推导方法, 并推导出了一至四阶光束强度矩传输的解析表达式. 所得结果具有一般性,任意某一光束在自由空间和大气湍流中传输的高阶强度矩均可作为本文结果的特例. 另一方面, 以高斯光束为例, 研究了其K参数在湍流大气中的传输规律. 研究表明,高斯光束在大气湍流中其K参数并不是一个传输不变量,它与传输距离、束腰半径、湍流内外尺度以及湍流强度均有关.这个结论与采用Rytov相位结构函数二次近似或强湍流近似下的结论不同,本文给出了合理解释. 关键词： 高阶强度矩 大气传输 大气湍流 K参数')" href="#">K参数     

椭圆涡旋光束在海洋湍流中的传输特性

本文采用分步相位屏方法来仿真椭圆涡旋光束在海洋中的实际传输情况,并对椭圆涡旋光束在海洋湍流中的传输光强和闪烁因子进行了仿真。研究发现,椭圆涡旋光束在海洋传输过程中,光斑会发生明显的旋转,同时光斑会产生暗核且暗核个数与光束的拓扑荷数相等。一个拓扑荷数为m的相位奇点会分裂成m个拓扑荷数为1的相位奇点,并且海洋湍流越强,光斑受到的干扰越严重。研究还发现,在较弱的海洋湍流中,随着传输距离的增加,椭圆涡旋光束的闪烁因子会低于高斯光束和涡旋光束的闪烁因子,而且在远距离处拓扑荷数越大闪烁因子降低越明显,同时也发现,传播一段距离后涡旋光束的闪烁因子会低于高斯光束的闪烁因子。在较强湍流中,椭圆涡旋光束的闪烁因子会交叠在一起。对于不同强度的海洋湍流,随着均方温度耗散率的增大,椭圆涡旋光束的轴上点闪烁因子也增大。在同一传输距离处,束腰宽度越小的椭圆涡旋光束闪烁因子越小。     

非Kolmogorov湍流相位屏仿真及对光束传输模拟的影响

采用正态分布模型来描述传播路径上功率谱幂值的非均匀性，利用功率谱反演法构建了基于等效结构常数的非Kolmogorov湍流相位屏，并利用多重相位屏法进行了高斯光束在均匀各向同性湍流与非Kolmogorov湍流两种模型下的传输模拟。通过观察模拟光束的光强均匀度、光束漂移以及闪烁指数等,研究了非Kolmogorov湍流对光束传输模拟的影响。结果发现，当光束通过单个非Kolmogorov相位屏时，光强最大值与光强均匀度随着幂值先增大后减小，光束漂移随幂值在一定范围内单调变化。当光束通过多重相位屏时，发现模拟光束的光强闪烁指数会受到相位屏数量以及湍流模型的影响，当相位屏数量较多时，均匀各向同性湍流模型下模拟得到的光强闪烁指数会大于非K湍流模型下的结果，且非K湍流模拟的光束漂移与均匀各项同性湍流模拟得到的光束漂移的相对误差会随着相位屏数量增多而趋于0。     

Gaussian wave formalism model for propagation of charged-particle beam through a first-order optical systems

An elliptical Gaussian wave formalism model of a charged-particle beam is proposed by analogy with an elliptical Gaussian light beam. In the paraxial approximation, the charged-particle beam can be described as a whole by a complex radius of curvature in the real space domains. Therefore, the propagation and transform of charged-particle beam passing through a first-order optical system is represented by the \textit{ABCD}-like law.As an example of the application of this model, the relation between the beam waist and the minimum beam spot at a fixed target is discussed. The result, well matches that from conventional phase space model, and proves that the Gaussian wave formalism model is highly effective and reasonable.     

Propagation of a phase-locked circular dark hollow beams array in a turbulent atmosphere

The propagation of phase-locked circular dark hollow beams array in a turbulent atmosphere is studied. An analytical expression for the average intensity distribution at the receiving plane is obtained based on the extended Huygens-Fresnel principle. The effects of turbulence, dark parameter and beam order of the beams array on the intensity pattern are studied and analyzed. It is found that the intensity pattern of the phase-locked circular dark hollow beams array will evolve from a multiple-spot-pattern into a Gaussian beam spot under the isotropic influence of the turbulence. The intensity pattern of beam array with a larger dark parameter and beam order evolves into the Gaussian-shape faster with increasing propagation distance.     

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     

Scintillation of a laser beam propagation through non-Kolmogorov strong turbulence

Atmospheric turbulence causes strong irradiance fluctuations of propagating optical wave under the severe weather conditions in long-distance free space optical communication. In this paper, the scintillation index for a Gaussian beam wave propagation through non-Kolmogorov turbulent atmosphere is derived in strong fluctuation regime, using non-Kolmogorov spectrum with a generalized power law exponent and the extended Rytov theory with a modified spatial filter function. The analytic expressions are obtained and then used to analyze the effect of power law, refractive-index structure parameter, propagation distance, phase radius of curvature, beam width and wavelength on scintillation index of Gaussian beam under the strong atmospheric turbulence. It shows that, with the increasing of structure parameter or propagation distance, scintillation index increases sharply up to the peak point and then decreases gradually toward unity at rates depending on power law. And there exist optimal value of radius of curvature and beam width for minimizing the value of scintillation index and long wavelength for mitigating the effect of non-Kolmogorov strong turbulence on link performance.     

大气湍流对多色高斯-谢尔模型光束扩展的影响

基于广义惠更斯-菲涅耳原理,采用Rytov相位结构函数二次近似和硬边窗口函数的复高斯展开法,推导了受光阑限制的多色高斯-谢尔模型(GSM)光束在大气湍流中的二阶矩束宽公式。研究表明:二阶矩束宽随着大气湍流折射率结构常数、源光谱带宽和光束传输距离的增加而增大,随着光束截断参数和光束相干参数的增加而减小;并且,当源光谱带宽越大、光束截断参数和光束相干参数越小,则湍流对受光阑限制的多色GSM光束扩展的影响就越小。关键词: 