大气湍流对径向分布高斯列阵光束扩展和方向性的影响

采用积分变换的技巧,推导出了径向分布高斯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,并详细研究了大气湍流对光束扩展和方向性的影响.研究表明,相干合成情况下,子光束数N越小、径向分布半径r₀越大,列阵光束扩展受湍流影响越小.相干较非相干合成时列阵光束的扩展小,但非相干合成时列阵光束扩展受湍流的影响比相干合成时的小.特别地,N足够小或r₀足够大时,相干与非相干合成列阵光束的远场束宽相等.另一方面,还给出了相干和非相干合成径向分布高斯列阵 关键词： 径向分布高斯列阵光束 大气湍流 相干和非相干合成 二阶矩束宽     

湍流对离轴列阵高斯光束相干与非相干合成的影响

研究了湍流对离轴列阵高斯光束相干与非相干合成的影响.推导出了相干合成光束的传输方程.采用二阶矩束宽、桶中功率和参数β作为光束质量评价参数比较了离轴列阵高斯光束通过湍流大气的相干与非相干合成,并对主要结果给予了合理的物理解释.研究表明：一方面,不论是相干合成还是非相干合成,湍流都使得合成光束扩展、峰值光强下降,并且子光束数越多,合成光束受湍流影响就越小.另一方面,非相干合成光束较相干合成光束受到湍流的影响要小. 关键词： 相干与非相干合成 湍流大气 离轴列阵高斯光束     

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.     

双曲余弦高斯列阵光束通过湍流大气传输的角扩展及方向性

 采用积分变换,推导出了双曲余弦高斯（ChG）列阵光束通过湍流大气传输的二阶矩束宽和角扩展的解析公式,给出了ChG列阵光束与一束高斯光束具有相同角扩展的条件。研究表明:相干合成的ChG列阵光束的角扩展比非相干合成的小,但是,非相干合成的ChG列阵光束的角扩展受湍流影响比相干合成ChG光束小;相干合成情况下,ChG列阵光束的角扩展随离心参数、束腰宽度和相对子光束间距的变化均出现振荡,但在湍流中的振荡减弱,非相干合成情况下,ChG列阵光束的角扩展与相对子光束间距和光束数无关。     

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.     

多束超高斯激光相干合成的数值模拟

 建立了超高斯光束的相干叠加的数学模型，对比了光束间距为1 cm、超高斯阶数为12条件下25束高斯光束相干叠加与非相干叠加时的光强分布，发现相干合成的峰值光强为非相干叠加的峰值光强的近10倍，且光束质量也得到大大提高，有利于提高能量的利用率。分析了多种条件下相干合成的光强分布特性，结果表明：随机相位差小于十分之一波长时,相位差的变化对相干合成效果影响不大；当超高斯阶数大于10时对相干合成的峰值光强影响较小；随着相干发射阵列光束间距的增大，相干合成光强迅速减小，光束质量变差。得到了传输距离分别为10 m，100 m，1 km和5 km下的光强分布，表明合成的峰值光强随着传输距离的增加而由小变大，最后随着传输距离的进一步增大而衰减。最后得到了不同传输距离处的环围功率比。     

湍流对M×N列阵双曲余弦高斯光束传输和远场光束质量的影响

基于广义惠更斯-菲涅耳原理,并采用光束的非相干合成方法,推导出了M×N双曲余弦高斯列阵光束在湍流中的三维光强传输方程．采用桶中功率、β参量和Strehl比作为光束质量的评价参量,研究了湍流大气对双曲余弦高斯列阵光束远场光束质量的影响．研究表明：在湍流大气中,双曲余弦高斯列阵光束的传输将经历三个阶段的变化,并且湍流使得光束传输经历三阶段的进程加快;湍流导致双曲余弦高斯列阵光束扩展、最大峰值光强下降,但是,β参量随光束数目M（N）、相邻子光束间距xc（yd）和光束参量δ的增加而减少,即光束扩展受湍流的影响减小;并且,存在最佳xd（yd）和δ值使得Strehl比取得极大值．因此,适当选取M（N）、xd（yd）和δ可以降低湍流对双曲余弦高斯列阵光束远场光束质量的影响．     

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。     

大气湍流对多抖动法相干合成技术中相位调制信号的影响

分析了大气湍流对采用多抖动法实现的相干合成阵列光束中相位调制信号的影响. 文章首先根据广义惠更斯-菲涅耳原理,采用折射率结构函数对大气湍流进行描述,推导了多抖动法相干合成中阵列光束通过大气湍流后相位调制信号的一般表达式. 在此基础上进行数值模拟,分析了传输距离、湍流强度、光束阵列占空比和光斑尺寸等因素对相位调制信号的影响. 研究发现随着传输距离的增大,相位调制信号强度会先增大后减小,存在一个极大值点;随着湍流强度的增强,相位调制信号强度极大值点的出现距离不断缩短;当光束阵列占空比一定时,随着光斑尺寸的增大 关键词： 大气湍流 相干合成 多抖动法 相位调制     

湍流对M×N列阵双曲余弦高斯光束传输和远场光束质量的影响

基于广义惠更斯－菲涅耳原理,并采用光束的非相干合成方法,推导出了M×N双曲余弦高斯列阵光束在湍流中的三维光强传输方程.采用桶中功率、β参量和Strehl比作为光束质量的评价参量,研究了湍流大气对双曲余弦高斯列阵光束远场光束质量的影响.研究表明:在湍流大气中,双曲余弦高斯列阵光束的传输将经历三个阶段的变化,并且湍流使得光束传输经历三阶段的进程加快;湍流导致双曲余弦高斯列阵光束扩展、最大峰值光强下降,但是,β参量随光束数目M（N）、相邻子光束间距xd（yd）和光束参量δ的增加而减少,即光束扩展受湍流的影响减小;并且,存在最佳xd（yd）和δ值使得Strehl比取得极大值.因此,适当选取M（N）、xd（yd）和δ可以降低湍流对双曲余弦高斯列阵光束远场光束质量的影响.     

相干合成光束在湍流大气中的传输

分析了湍流大气对相干合成光束传输的影响,根据广义惠更斯-菲涅耳原理,对相干合成光束在不同强度湍流大气中传输进行计算,对接收平面处的光强分布的统计特性,如桶中功率(PIB)曲线、局部功率曲线进行比较.研究结果表明,较弱的湍流大气对相干合成光束的传输影响较小,接收平面的光强分布以及PIB曲线基本不变;随着湍流强度的增大,相干合成光束的光强分布和PIB曲线产生显著变化,光斑扩展和能量的弥散速度加快,光束的能量集中度显著降低.计算了湍流大气传输后光束的空间相干度,认为空间相干度下降是降低相干合成效果的原因,对如何降低湍流大气的影响进行讨论.     

湍流对M×N列阵双曲余弦高斯光束传输和远场光束质量的影响

基于广义惠更斯-菲涅耳原理,并采用光束的非相干合成方法,推导出了M×N双曲余弦高斯列阵光束在湍流中的三维光强传输方程.采用桶中功率、β参量和Strehl比作为光束质量的评价参量,研究了湍流大气对双曲余弦高斯列阵光束远场光束质量的影响.研究表明:在湍流大气中,双曲余弦高斯列阵光束的传输将经历三个阶段的变化,并且湍流使得光束传输经历三阶段的进程加快;湍流导致双曲余弦高斯列阵光束扩展、最大峰值光强下降,但是,β参量随光束数目M(N)、相邻子光束间距xd(yd)和光束参量δ的增加而减少,即光束扩展受湍流的影响减小;并且,存在最佳xd(yd)和δ值使得Strehl比取得极大值.因此,适当选取M(N)、xd(yd)和δ可以降低湍流对双曲余弦高斯列阵光束远场光束质量的影响.     

平顶高斯超短脉冲激光的时间部分相干性对相干合成的影响

 利用准单色光干涉理论,计算了2×2平顶高斯超短脉冲激光在远场的干涉图样,分析了激光的时间部分相干性及其存在束间相位差时对相干合成的影响。计算结果表明,当单路激光输出光束线宽小于100 nm时,理想波前的远场光斑图样和峰值光强基本保持不变,当光束线宽大于100 nm时,干涉减弱衍射效应逐渐增强;光束间存在相位差时,时间部分相干性将破坏远场图样随束间相位差的周期性变化,相位差越大干涉越弱;当超过相干长度时,则为非相干合成,但1/6倍相干长度范围内,仍可视为较理想的相干合成,此时焦斑的斯特列尔比大于0.9,对超短脉冲的相干合成影响可忽略。     

径向阵列非傍轴椭圆高斯光束的相干和非相干合成

 从瑞利-索末菲衍射积分公式出发,推导出径向阵列非傍轴离轴椭圆高斯光束相干合成和非相干合成在自由空间中的解析传输公式,给出其远场分布和傍轴表示式。研究表明:合成光束的光强分布与f参数、径向阵列半径、光束数、传输距离和合成方式有关;N束光相干合成和非相干合成在远场的光强最大值分别为单光束在远场最大值的N₂和N倍。     

双曲余弦高斯列阵光束在湍流大气中的光束传输因子

本文推导出了双曲余弦高斯(ChG)列阵光束在湍流大气中的光束传输因子( M ^{2因子)的解析公式,并采用相对 M 2因子研究了湍流对 M 2因子的影响.研究表明,在湍流大气中 M 2因子不再是一个传输不变量,湍流使得 M 2因子增大.非相干合成情况下, M 2因子随着传输距离、光束参数、相对子光束间距和子光束数目的增大而增大.相干合成情况下, M 2因子随光束参数和相对子光束间距的增大呈现振荡上升.相干合成情况下的 M 2因子比 关键词： M2因子)')" href="#">光束传输因子(M2因子) 光束质量 双曲余弦高斯列阵光束 大气湍流}     

大气湍流对部分相干电磁平顶光束传输的影响

基于相干性和偏振性统一理论,采用Rytov相位结构函数平方近似推导出了部分相干电磁平顶光束在湍流大气中传输的偏振度、相干度和光谱强度公式,并研究了湍流对其传输特性的影响.研究表明,偏振度和相干度与源光谱的带宽无关.大气湍流使得不同阶数的部分相干电磁平顶光束的偏振度经长程传输后均趋于其初始值.大气湍流使得部分相干电磁平顶光束与电磁高斯-谢尔模型光束相干度的差别减小,并导致相干度的振荡和相位奇异现象消失.大气湍流使得相干性较好的部分相干电磁平顶光束的光谱跃变现象消失.     

大气湍流对部分相干电磁平顶光束传输的影响

基于相干性和偏振性统一理论,采用Rytov相位结构函数平方近似推导出了部分相干电磁平顶光束在湍流大气中传输的偏振度、相干度和光谱强度公式,并研究了湍流对其传输特性的影响.研究表明,偏振度和相干度与源光谱的带宽无关.大气湍流使得不同阶数的部分相干电磁平顶光束的偏振度经长程传输后均趋于其初始值.大气湍流使得部分相干电磁平顶光束与电磁高斯一谢尔模型光束相干度的差别减小,并导致相干度的振荡和相位奇异现象消失.大气湍流使得相干性较好的部分相干电磁平顸光束的光谱跃变现象消失.     

高功率光纤激光部分相干合成的可行性及效果分析

提出部分相干合成的概念,论证了谱线宽度和偏振特性并不是影响高功率光纤激光部分相干合成的瓶颈.与完全相干合成的理想情形相比,随着光束线宽的增大,部分相干合成光束的远场光斑图样基本保持不变,但峰值强度和斯特尔(Strehl)比随之减小,光斑能量越来越分散.利用数值计算的方法对部分相干合成与非相干合成光束的远场效果进行了比较分析.计算结果表明,尽管线宽的存在降低了部分相干合成的效果,但与非相干合成相比,部分相干合成的光束仍具有较大优势.     

大气湍流对部分相干平顶高斯光束的影响

采用相屏近似处理方法对激光通过湍流大气的传输进行了数值模拟。从数值模拟的结果拟合出两个公式:一是通过湍流前后部分相干平顶高斯光束的束宽平方比随阶数、传输距离和湍流强度的变化关系式；一是通过湍流后的相干长度随初始光束相干长度、湍流相干长度的变化关系式。研究发现:部分相干平顶高斯光束分解为相互独立的厄米-高斯光束的叠加；相干性越差的光束受到湍流的影响程度就越小；湍流对光束传输的影响与光束自身相干特性对其传输的影响之间是不相关的。     

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