部分相干厄米高斯光束在斜程大气湍流中的扩展

基于广义惠更斯-菲涅耳原理,推导出部分相干厄米高斯（H-G）光束通过斜程大气湍流传输的均方根束宽和角扩展的解析表达式,并用以研究了传输路径和光束阶数对部分相干H-G光束传输的影响。引入相对束宽和相对角扩展来定量描述光束抗拒大气湍流的能力。结果表明:在相同条件下,部分相干H-G光束斜程传输受大气湍流的影响要小于水平传输,与水平传输相比斜程传输更有利于部分相干光束在大气湍流中的传输,光束阶数越大部分相干H-G光束受大气湍流的影响越小。     

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     

部分相干双曲正弦-Gauss涡旋光束叠加形成的合成相干涡旋在非 Kolmogorov 大气湍流中的动态演化

一些实验表明, 实际大气会偏离理想Kolmogorov模型. 本文基于广义Huygens-Fresnel原理和Toselli等提出的非Kolmogorov湍流模型, 推导出部分相干双曲正弦-Gauss (HSG)涡旋光束通过非Kolmogorov大气湍流的解析传输公式, 并用以对两束部分相干HSG涡旋光束相干叠加和非相干叠加形成的合成相干涡旋在非Kolmogorov大气湍流中的动态演化进行了研究. 结果表明, 合成光束平均光强的演化过程与非Kolmogorov湍流的广义指数α, 源平面上叠加涡旋光束拓扑电荷的符号, 以及叠加方式有关. 合成相干涡旋在非Kolmogorov大气湍流中传输时会出现移动、产生和湮灭. 广义指数α, 拓扑电荷符号, 以及叠加方式都会影响其演化行为. 最后, 将本文所得结果与相关文献做了比较.     

部分相干平顶光束在非Kolmogorov湍流中的湍流距离

给出了部分相干平顶光束通过非Kolmogorov湍流传输的湍流距离解析表达式,并研究了非Kolmogorov湍流的湍流广义指数、内尺度、外尺度和光束参数对部分相干平顶光束湍流距离的影响。研究表明:湍流距离随相干参数、束腰、外尺度(当湍流广义指数的取值为3.6~4.0时)的增大而减小;随光束阶数、内尺度的增大而增大;随湍流广义指数先减小后增大,且在湍流广义指数取3.11时存在极小值,即光束扩展的极大值。同时利用湍流广义指数及光束参数,具体比较了湍流距离与瑞利区间的大小,并指出光束参数及湍流广义指数决定了湍流是否在瑞利区间内就能对光束扩展构成明显的影响。     

部分相干双曲余弦厄米高斯光束在非Kolmogorov大气湍流中的传输特性

基于广义Huygens-Fresnel原理和非Kolmogorov大气湍流折射率起伏谱密度函数, 采用Wigner分布函数的二阶矩方法, 推导出了在大气湍流中传输的部分相干双曲余弦厄米高斯光束束宽和M²因子的解析表达式. 研究表明: 相对束宽和归一化M²因子随传输距离的增大而增大; 光束阶数越大、相干长度越小、双曲余弦参数越小, 相对束宽和归一化M²因子受大气湍流影响越小; 相对束宽随束腰宽度的增大存在极大值, 在一定的相干长度范围内, 归一化M²因子随束腰宽度的增大存在极小值; 相对束宽和归一化M²因子随广义指数的变化均存在极大值, 随内尺度的增大而逐渐减小, 随外尺度的增大几乎没有变化.     

激光通过非Kolmogorov大气湍流传输光束扩展区间的研究

激光通过大气湍流传输,光束扩展主要由空间衍射和大气湍流两个物理机制确定,而大气湍流对光束扩展的影响又与光束空间衍射特性相关。研究了部分相干厄米-高斯(H-G)光束通过非Kolmogorov大气湍流传输光束扩展区间问题,把光束扩展按传输距离划分为三个区间,造成这三个区间的光束扩展的主要物理机制依次是:空间衍射、空间衍射和大气湍流、大气湍流。详细研究了部分相干H-G光束参数和大气湍流参数对这三个区间范围大小的影响,以及第一个光束扩展区间与光束瑞利区间的关系,并对主要结果给出了合理的物理解释。     

非Kolmogorov大气湍流对径向部分相干阵列光束瑞利区间和湍流距离的影响

基于广义的Huygens-Fresnel原理和非Kolmogorov谱模型,推导了无线光通信系统中径向分布部分相干高斯-谢尔模型阵列光束在非Kolmogorov大气湍流中传输时瑞利区间z_R和湍流距离z_T的解析表达式,对瑞利区间和湍流距离随湍流参量和光束参量的变化情况进行了数值分析.结果表明:不论是相干还是非相干合成,径向分布部分相干高斯-谢尔模型阵列光束的z_R和z_T均随湍流广义指数α的增大非单调变化,当α=3.11时,z_R和z_T取最小值,此时阵列光束扩展最大;相干合成比非相干合成的光束扩展要小,但其受湍流的影响更大;对于相干合成而言,径向分布半径r0越大,合成光束的z_R和z_T就越大,而非相干合成的z_R和z_T不受r0的影响;不论是相干还是非相干合成,阵列子光束数目对合成光束的z_R和z_T没有影响;当光束相干参量β足够小或波长λ足够大时,大气湍流对阵列光束z_R的影响可以忽略.     

湍流大气中厄米-高斯光束M2因子的变化

 基于广义惠更斯-菲涅耳原理和Wigner分布函数二阶矩的定义,推导出直角坐标系下大气湍流中部分相干光的M²因子传输公式。以厄米-高斯（H-G）光束为例,给出了H-G光束通过大气湍流传输后M²因子的解析表达式,并采用Tatarskii谱,详细讨论了M²因子的主要影响因素。结果表明,M2因子主要由光束的束腰宽度、波长、光束阶数、大气湍流的折射率起伏结构常数和在湍流中传输距离决定。随着光束阶数、折射率起伏结构常数及传输距离的增大,M²因子明显增大,光束阶数越高,湍流对M²因子变化的影响越小。对于给定的传输距离,存在最佳初始束宽,使M2因子最小。     

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.     

部分相干厄米-高斯列阵光束通过湍流大气传输的方向性

推导出了部分相干厄米-高斯(H-G)列阵光束通过湍流大气传输的二阶矩束宽和远场发散角的解析公式。采用远场发散角作为光束方向性的评价参数,研究了部分相干H-G列阵光束通过湍流大气传输的方向性。研究表明:在一定条件下,部分相干H-G列阵光束与对应的高斯光束不论在自由空间还是湍流大气中均具有相同的方向性。此外,进一步研究发现,在自由空间中,由远场发散角和归一化远场平均光强分布所表征的部分相干H-G列阵光束的方向性是不一致的,但湍流可以使得两种描述相一致。这一结论与高斯-谢尔模型(GSM)列阵光束的相关结论存在差异。在自由空间中,与高斯光束具有相同远场发散角的非相干合成的GSM列阵光束与对应的高斯光束具有相同的归一化远场光强分布。     

Influence of atmospheric turbulence on the propagation of superimposed partially coherent Hermite-Gaussian beams

The influence of atmospheric turbulence on the propagation of superimposed partially coherent Hermite-Gaussian (H-G) beams is studied in detail. The closed-form propagation equation of superimposed partially coherent H-G beams through atmospheric turbulence is derived. It is shown that the turbulence accelerates the evolution of three stages which superimposed partially coherent H-G beams undergo. The turbulence results in a beam spreading and a decrease of the maximum intensity. However, the larger the beam number M, the beam order m, the separate distance x_d, and the smaller the beam correlation length σ₀ are, the less the power focusability of superimposed partially coherent H-G beams is affected by the turbulence. Specially, superimposed partially coherent H-G beams are less sensitive to turbulence than superimposed fully ones, and than partially coherent H-G beams if the beam power focusability and the maximum intensity are taken as beam criterions. However, the maximum intensity of superimposed partially coherent H-G beams is less sensitive or more sensitive to turbulence than that of superimposed Gaussian Schell-model (GSM) beams depending on σ₀.     

Beam propagation factor of partially coherent elegant Hermite-cosh-Gaussian beam through non-Kolmogorov turbulence

Based on the extended Huygens–Fresnel principle and the second moments of the Wigner distribution function, an analytical expression for the propagation factors of partially coherent elegant Hermite-cosh-Gaussian beams (EHChGB) in non-Kolmogorov is derived. The M² factor of partially coherent EHChGB through non-Kolmogorov turbulence is studied analytically and numerically. The results show that partially coherent EHCHGB with higher beam order and longer wavelengths is less affected by non-Kolmogorov turbulence.     

部分空间相干光束在非Kolmogorov湍流大气中的有效曲率半径

激光在湍流大气中的传输有重要的理论研究和实际应用意义.以高斯-谢尔模型(GSM)光束作为部分空间相干光的典型例,基于非Kolmogorov谱和广义惠更斯-菲涅耳原理, 推导出GSM光束在非Kolmogorov湍流中的有效曲率半径的解析表达式. 重点研究了湍流参数(包括广义指数α,内尺度l₀,和外尺度L₀) 和传输距离z分别对GSM光束有效曲率半径的影响.结果表明, 有效曲率半径R_x(z)随α和z增加先减小然后再增大, 随L₀的减小而增大(3.6<α< 4),随l₀的增加而增大.并对结果做了物理解释.     

厄米-高斯光束在非Kolmogorov大气湍流中的传输性质

基于广义惠更斯-菲涅尔原理和非Kolmogorov(非K)谱,推导出了厄米-高斯光束在非K大气湍流中传输的束宽、角扩展以及M²因子的解析表达式.数值计算表明,在传输距离比较远(如z≥3 km)时,厄米-高斯光束的束宽、角扩展和M²因子随广义指数参量α的增大而增加直到α=3.11时达到最大值后再随α的增大而减小;随湍流的内尺度l₀的减小而增大;随外尺度l₀的增加而增大(3.6<α<4).但是当广义指数参量α在3<α<3.6区间取值时,束宽和M²因子几乎不随外尺度的增加而变化.     

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     

Propagation properties of partially coherent Hermiteben Gaussian beams through non-Kolmogorov turbulence

The propagation properties of partially coherent Hermite—Gaussian beams through non-Kolmogorov atmospheric turbulence are studied. The effects of non-Kolmogorov turbulence and beam nonparaxiality on the average intensity evolution and the beam-width spreading are stressed. It is found that the evolution of the average intensity distribution and the beam-width spreading depends on the generalized exponent factor, namely, on the non-Kolmogorov turbulence strength for the paraxial case. For the non-paraxial case the effect of the turbulence is negligible, while the beam-width spreading becomes very large. The analytical results are illustrated numerically and interpreted physically.