大气湍流和热晕综合效应下旋转光束的传输特性

旋转光束指的是一类由拓扑荷数不同的涡旋光束经外差干涉产生的,光强、相位或偏振随时间快速旋转的新型光束.旋转光束在大气通道传输时因其光场随时间快速旋转可遍历大气传输路径上的不均匀性,使得大气湍流和热晕等效应引起的相位畸变在旋转方向得到匀滑,从而达到改善光束质量,提升光束质心稳定性的目的.在考虑大气湍流和热晕综合效应的情况下,建立了旋转光束在大气的传输模型,分析了旋转光束如何缓解大气湍流和热晕效应的物理机制.在此基础上,进一步分析了光束旋转频率和子光束功率比值,以及大气湍流和热晕强度等对旋转光束大气传输特性的影响及规律,从而为激光大气工程应用提供参考.     

大气湍流对激光束传输的影响讨论

分析大气湍流对光束的传播所产生的几个效应，给出激光束在大气湍流中传输的反射回波光强概率密度函数。     

大气湍流和热晕效应对列阵合成激光传输特性和光束质量影响的理论研究进展

介绍了大气湍流效应和热晕效应对列阵合成激光传输特性和光束质量影响的理论研究进展。主要介绍了合成激光在大气中传输的解析和数值模拟研究方法,大气湍流效应对列阵合成光束的光强分布、远场发散角、方向性、曲率半径和湍流距离的影响,以及大气热晕效应对列阵合成光束的光强分布、传输效率、重心偏移、热晕时间尺度和焦移的影响。研究结果表明,大气湍流效应和热晕效应对合成激光光束质量的影响与光束合成方式、合成光束参数以及大气参数密切相关。     

聚焦强激光束大气传输的数值模拟

用非自适应坐标变换技术求解聚焦强激光束大气传输的热晕问题,实践表明对提高计算精度和速度十分有效,但在焦平面附近的计算,由于热晕的散焦作用,原有技术有一定困难。通过提出一种改进的非自适应坐标变换技术,克服了原有变换的缺陷,有效提高了计算精度和速度,并减少了计算机内存的占用。     

聚焦强激光束大气传输的数值模拟

 用非自适应坐标变换技术求解聚焦强激光束大气传输的热晕问题，实践表明对提高计算精度和速度十分有效，但在焦平面附近的计算，由于热晕的散焦作用，原有技术有一定困难。通过提出一种改进的非自适应坐标变换技术，克服了原有变换的缺陷，有效提高了计算精度和速度，并减少了计算机内存的占用。     

大功率光纤激光大气传输特性的研究

影响激光传输效果的主要因素包括大气分子和气溶胶粒子吸收以及由散射造成的衰减效应、大气湍流引起的湍流效应和强激光加热空气造成的热晕效应。针对光纤激光的大气传输进行了研究,研究了在1080nm特定波长的光纤激光大气传输过程中的大气湍流、热晕效应、湍流热晕相互作用对光纤激光远场功率密度的影响。     

大气湍流中部分相干聚焦涡旋光束的传输特性

基于广义惠更斯-菲涅耳原理和相位结构函数的平方近似,研究了部分相干高斯-谢尔模型涡旋光束被聚焦后在大气湍流中的传输特性,得到了焦平面上光强解析表达式.利用该表达式,详细研究了该类光束在大气湍流中传输焦平面上的光强分布特性.结果表明：在大气湍流中,随着传输距离的增加,涡旋光束的奇异性逐渐降低.对于拓扑荷大的以及空间相干长度较长的涡旋光束,光束奇异性的保持相对要好.在一定的焦距长度和湍流大气条件下,我们可以通过调整光源的拓扑荷和相干长度控制焦面光强分布和焦斑大小.另外,有一定拓扑荷的涡旋光束可以在一定程度上降低大气湍流对传输光束焦面光强分布的影响.     

部分相干光束经过湍流大气传输研究进展

相较于相干光束,部分相干光束经过湍流大气传输能够有效地抑制湍流引起的光束展宽、光斑漂移及光强闪烁等扰动效应,在自由空间光通信、激光雷达和激光遥感等方面有重要的应用前景.近年来,部分相干光束湍流大气传输研究受到越来越多学者的关注.本文回顾了部分相干光束在湍流大气中传输特性研究的发展历程、理论基础及常用的理论方法,介绍了处理光束经过湍流大气传输的相位屏数值模拟方法,以及如何把该方法运用到处理部分相干光束传输.     

完美涡旋光束在大气湍流中的斜程传输特性

完美涡旋（POV）光束具有光束半径与拓扑荷数无关的特点,与其他涡旋光束相比具有更加稳定的空间强度分布特性。利用多相位屏法和傅里叶变换法,分析了POV光束在大气湍流中的斜程传输特性。采用光束漂移和孔径平均闪烁指数作为大气湍流影响光束质量的评价参数,对比了POV光束与高斯涡旋光束在相同传输条件下的光束质量。结果表明：相比于高斯涡旋光束,POV光束的光束稳定性更好。当拓扑荷数增大或天顶角减小时,POV光束抵抗大气湍流的能力增强。在不改变POV光束拓扑荷数的前提下增大其光束半径,也能提高POV光束对大气湍流的抵抗能力。     

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.     

横向可分原子激光的传输

本文在含时量子系统传播子的ABCD形式理论的基础上．进一步讨论原子激光这种品质因子不守恒系统的传输。利用准连续的原子激光在传输过程中所满足薛定谔方程．并引入某一方向的束宽、发散角、曲率半径和品质因子等光束传输参量来表征横向势能满足x和y分量相互独立的原子激光的传输。如果某一方向上品质因子也守恒,就可以通过解析不同过程品质因子守恒的充要方程,找到原子激光在各过程中ABCD形式的传播子。本文讨论原子激光在从玻色-爱因斯坦凝聚体(BEC)中穿出过程。在磁化捕获器打开情况下的传输,以及在自由空间的传输这三个满足横向势能可分且各横向品质因子守恒条件的过程中ABCD形式的传播子。本文还将所运用的方法和所得结果与Yann等人的方法和结果进行了比较。     

利用受激布里渊散射效应补偿激光大气传输过程中的畸变

提出了利用受激布里渊散射的阈值效应主动在非配合,扩展目标上实现小面积信标的方法,在不同的大气扰动条件（Cn^2=10^-16--10^-12)下,对激光的远距离（10km)补偿传输过程进行了模拟计算,获得了到达目标上的相位共轭光的光强分布。分别在不同的实验环境进行了激光补偿传输实验,其中激光补偿传输距离最远达到250m。实验结果证实了利用受激布里渊散射实现激光大气传输补偿的有效性,证明利用阈值效应在目标上主动获得小面积信标的方法是可行的。     

Analysis of Inner-Scale Effect on Atmosphere Scintillation for Infrared Laser Beam Propagating on Earth-Space Paths

On Earth-space paths, based on ITU-R C_n² (h) model, by means of a modification of the Rytov method that incorporates an amplitude spatial frequency filter function under strong fluctuation conditions, considering atmospheric turbulence inner-scale, an expression is developed for the scintillation index of a visible or a near and middle infrared laser beam wave that is valid under moderate to strong irradiance fluctuations. The quantitative analyses of scintillation index are done by this analytic model for laser Gaussian collimated beam wave at visible or near and middle infrared wave band. The results agree with theoretic analysis scintillation. This scintillation model can be converted into a Gaussian beam wave model with finite inner-scale on horizontal sight paths of invariable C_n².     

Study of Scintillation for Infrared Laser Beam Propagating in Atmospheric Turbulence on Earth-Space Paths

On earth-space paths, by applying a modification of the Rytov method that incorporates spatial frequency filter function under strong atmosphere fluctuation conditions, a tractable model is developed for the scintillation index of infrared laser Gaussian beam wave that is valid under moderate-to-strong irradiance fluctuations. At Infrared band, based on ITU-R C ² _n model, the scintillation indexes for collimation laser beam are predicted by this analytic model. The results agree with theoretic expected scintillation. This scintillation model can be converted into a plane or a sphere wave scintillation index model on earth-space paths, and also reduced to a Gaussian beam wave model on horizontal sight paths of invariable C ² _n.     

Propagation and Beam Quality of Flattened Hermite-Gauss Beams

ＰｒｏｐａｇａｔｉｏｎａｎｄＢｅａｍＱｕａｌｉｔｙｏｆＦｌａｔｔｅｎｅｄＨｅｒｍｉｔｅ－ＧａｕｓｓＢｅａｍｓ￥ＨＵＡＲｅｎｚｈｏｎｇ；ＱＩＡＮＬｉｅｊｉａ，ＦＡＮＤｉａｎｙｕａｎ；ＤＥＮＣＸｉｍｉｎｇ（ＳｈａｎｇｈａｉＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＯｐｔｉｃ...     

宽频带激光自由空间传输的调制特性研究

基于惠更斯-菲涅耳衍射积分公式,研究了宽带光束在菲涅耳衍射区的自由空间传输特性,得到宽带光束传输的调制深度与光束带宽Δλ及菲涅耳数F的变化关系。结果表明:一定的带宽对光束的均匀性有适当的改善;当光束的带宽Δλ<2λ0/F时,带宽越大,光束越均匀;当带宽满足条件Δλ=2λ0/F时,菲涅耳衍射完全消失;在一定的菲涅耳数范围内,宽带光束的调制深度随菲涅耳数振荡变化,振荡曲线的主极大值和次极大值分别出现在菲涅耳数为奇数和偶数处,而极小值则出现在菲涅耳数F=2k±1/3(k=1,2,3,…)处,在极小值处光束的均匀性最好。     

TAGSM光束在大气湍流中传输

基于广义惠更斯－菲涅耳原理,利用部分相干光复曲率张量研究了有扭曲的各向异性高斯－谢尔模型光束在湍流大气中的传输规律.根据有扭曲的各向导性高斯-谢尔模型光束在大气湍流中传播距离z处的部分相干复曲率张量给出了光束参量的表达式和详细的数值计算结果.结果表明：大气湍流减缓了光束扭曲参量随传播距离的衰减趋势,增大了主方向上的波前曲率的峰值,而且大气湍流退化了光束的相干性,使得光束扩展严重;光源扭曲参量大小和相干性也都会影响TAGSM光束在大气湍流中传输时各个光束参量的变化规律.     

钕玻璃介质中强激光束传输特性的初步研究

 由入射强激光束的强度或相位调制引起的小尺度纹波在经过非线性介质后,将产生强烈的自聚焦效应。在非线性相位延迟(B积分)超过一定值后,将严重影响光束的近场强度分布,甚至造成丝状破坏。数值模拟和实验研究了在一定强度调制下的光束经过钕玻璃介质发生自聚焦成丝效应的阈值条件,以及非线性传输的一般规律。可以通过模拟计算,给出高功率激光系统设计中的D-B判据。     

激光湍流大气传输数值模拟中计算参量的选取

根据抽样原则、湍流介质特性、湍流效应和光传播效应等全面分析了网格间距、相屏间距和网格数目等关键计算参量选取的基本要求.通过数值计算,分析各种要求的可行性,表明在具体的数值模拟过程中,并非所有要求都能同时满足,若严格按照要求选择计算参量,所需的计算量常超出计算机负荷范围.结合具体数值计算,综合考虑计算机承受能力和计算准确度,给出了一种可靠实用的计算参量选取思路和方案.