各向异性海洋湍流下三种涡旋光束的信道容量

海洋湍流和光源参数对涡旋光束的信道容量有十分重要的影响。本文根据Rytov近似理论,利用有限外尺度且不稳定分层的各向异性海洋湍流功率谱,并引入xy平面上的两个各向异性因子来研究完美涡旋（PV）光束、拉盖尔高斯（LG）光束和贝塞尔高斯（BG）光束在海洋湍流下的信道容量,数值模拟了束腰半径、接收孔径直径和海洋湍流参数等对三种光束信道容量的影响。数值结果表明：当传输距离在30～70 m时,较小束腰半径（小于4 mm）的PV或者LG光束可获得比BG光束更大的信道容量;但较大束腰半径（大于12 mm）的PV或者LG光束的信道容量却大于BG光束。此外,当束腰半径小于2 mm时,PV光束的信道容量要大于LG和BG光束,表明采用窄束腰半径（小于2 mm）的PV光束相比LG和BG光束可以增大光通信系统的信道容量。本文的研究结果对海洋环境中光通信光源参数的选择具有重要意义。     

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。     

拉盖尔-高斯光束在湍流大气中的螺旋谱特性

研究了拉盖尔-高斯光束在湍流大气中的传输特性.在利托夫近似下,得到接收孔径处光束的螺旋谱的积分表达式.通过数值仿真得出大气湍流对光束螺旋谱的影响以及光束螺旋谱随各参数值的变化特性.仿真发现大气湍流会使螺旋谱发生弥散.而且随着拓扑荷,接收孔径半径,折射率结构函数及距离的增加,螺旋谱弥散加剧.经拟合得到描述螺旋谱弥散程度的无量纲方差V随距离成6次函数关系;与接收孔径半径及折射率结构函数成二项式关系;而与拓扑荷呈11次多项式关系.最后得出径向指数,束腰半径对螺旋谱的影响非常小,并且根据此结论推出光 关键词： 拉盖尔-高斯光束 大气湍流 螺旋谱 无量纲方差     

海洋湍流中厄米-高斯光束的传输特性研究

研究了海洋湍流中部分相干厄米-高斯光束的传输特性。首先,根据广义惠更斯-菲涅耳原理,建立了海洋湍流中厄米-高斯光束的强度分析模型。然后,推导了海洋湍流中厄米-高斯光束的均方束腰宽、瑞利区间和湍流距离的表达式。最后,对海洋湍流中厄米-高斯光束的均方束腰宽、瑞利区间和湍流距离进行仿真分析。仿真结果表明,均方束腰宽随着均方温度耗散率和温度与盐度相对参数的增大而增加,随着湍流动能耗散率的增大而减小。此外,瑞利区间和湍流距离都随着厄米-高斯光束的阶数的增加而增大。该研究可以为水下光通信研究提供理论依据。     

部分相干涡旋光束在大气湍流中的远场传输特性

运用广义惠更斯-菲涅耳原理,详细研究了部分相干涡旋光束在湍流介质中的远场传输规律.研究表明,部分相干涡旋光束的光谱相干度及光强分布与光束的拓扑电荷数、空间相对相干长度及湍流介质的折射率结构常数等因素有关.在湍流介质中,光谱相干度存在相位奇点,并且随着空间相对相干长度的增大,相干涡旋逐渐演化为强度涡旋,而湍流介质的强弱对部分相干涡旋光束的影响则相反,随着湍流介质的折射率常数的增大,强度涡旋逐渐演化为相干涡旋.     

湍流大气中随机粗糙表面激光回波空间相干性仿真

根据广义Huygens-Fresnel原理,推导了von Karman湍流谱条件下激光回波复相干度的理论解析式;基于湍流相位屏分步传输算法和随机粗糙目标表面模型,实现了激光回波光场的仿真计算.首先通过镜面反射回波光场的仿真分析,验证了算法的正确性;然后基于1.1 km的均匀传输路径,综合分析了随机粗糙目标表面特性和路径湍流强度对回波光场复相干度的影响.结果表明:回波光场的空间相干性随目标表面高度均方根的增大而降低,随目标表面相关长度的减小而降低;当表面相关长度远小于大气相干长度时,回波相干性会被严重破坏.该研究可为目标表面特性或利用已知表面获取路径湍流状态的相干探测提供有益的参考.     

基于拉盖尔-高斯光束的通信系统在非Kolmogorov湍流中传输的系统容量

涡旋波束在大气湍流中的传输有非常重要的理论研究和实际应用意义. 本文基于利托夫近似和广义惠更斯-菲涅耳原理, 推导出拉盖尔-高斯(LG)光束在非Kolmogorov湍流中斜程传输时的螺旋谱, 并进一步推导出系统的容量. 对基于LG光束的通信系统容量进行了数值计算, 并对指数参数、光束波长、天顶角、湍流内尺度、外尺度、结构常数对系统容量的影响进行了分析比较. 本文的结论能够为LG光束在非Kolmogorov湍流中的通信提供一定的参考价值. 关键词： 拉盖尔-高斯光束 非Kolmogorov湍流 平均容量     

水下拉盖尔-高斯涡旋光束及其叠加态传输特性

通过实验研究了拉盖尔-高斯涡旋光束及其叠加态在水下湍流中的传输特性,充分考虑了不同温度差和盐度差的水流扩散产生的湍流对4种光束（高斯光束,阶数为0、拓扑荷数为6的拉盖尔-高斯涡旋光束,阶数为1、拓扑荷数为2与阶数为0、拓扑荷数为6的拉盖尔-高斯涡旋光叠加,阶数为1、拓扑荷数为2与阶数为0、拓扑荷数为10的拉盖尔-高斯涡旋光叠加）传输的影响,并对4种光束的漂移方差和闪烁指数进行深入讨论与分析。实验结果表明：随着湍流强度的增大,4种光束的漂移方差和闪烁指数都增大,相比其他3种光束,拉盖尔-高斯涡旋光束的漂移方差和闪烁指数较小;在较弱的湍流强度下,两种涡旋光叠加态的漂移方差和闪烁指数与拉盖尔-高斯涡旋光束相近。     

拉盖尔-高斯幂指数相位涡旋光束传输特性

为实现光折射率传感器小结构、高灵敏度的要求,根据表面等离极化激元的透射特性,提出了一种单挡板金属-介质-金属（MIM）波导耦合类云朵腔结构。此结构引用“腔中腔”的理念,在近场耦合作用下,类云朵腔所形成的较宽的连续态与金属挡板所形成的较窄的离散态经过干涉相长相消,可以产生三重不同模式的法诺共振。结合耦合模理论,对三重法诺共振的产生机理进行分析,并运用有限元分析法对此结构进行模拟仿真,定量分析了不同结构参数对折射率传感特性以及优质因子的影响。结果表明,三种共振模式的灵敏度分别为600,800,1083 nm/RIU,优质因子分别为5.08×10⁴、3.56×10⁵和1.17×10³。     

部分相干环状偏心光束通过海洋湍流的传输特性

推导出了部分相干环状偏心光束在海洋湍流中传输的平均光强和光束质心位置的解析表达式, 并给出了最大光强位置满足的传输方程. 研究发现: 经足够长距离传输后, 在自由空间中最大光强位置比光束质心更靠近传输z轴, 并且其位置随着光束相干参数的增大而靠近传输z 轴, 随着光束偏心参数和遮拦比的增大而远离传输z轴. 但是, 在海洋湍流中最大光强位置趋于质心位置, 并且海洋湍流的增强会加速最大光强位置趋于质心位置的进程. 在海洋湍流中光束的相干性对光束传输特性的影响明显减小. 另一方面, 光束质心位置与光束的相干性、光束传输距离以及海洋湍流均无关系, 并且光束质心位置随着光束偏心参数和遮拦比的增大而远离传输z 轴. 所得结果对工作于水下湍流环境中的部分相干环状偏心光束的应用具有重要意义.     

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     

涡旋光束与相位全息光栅不对准时的衍射特性研究

研究了涡旋光束与相位全息光栅不对准时衍射光束的解析特性.利用理论推导的方法得出涡旋光束经相位全息光栅接收后一阶衍射光束的解析表达式.然后通过仿真分析分别得出在发生正常对准、横向偏移、角向倾斜及横向偏移和角向倾斜两者同时出现时衍射光束的质心偏移特性和中心强度变化特性.研究表明: 拉盖尔-高斯光束经相位全息光栅衍射后得到的光场表达式为合流超几何函数形式.光束与相位全息光栅间的不对准会引起衍射光束质心的偏移,而且光束质心的偏移量随入射光束偏移距离和偏离角的增加而增加,与入射光束的偏移方向和方位角无关.角向倾斜时 关键词： 拉盖尔-高斯光束 相位全息光栅 横向偏移 角向倾斜     

非局域非线性介质中的拉盖尔-高斯涡旋呼吸子和涡旋光孤子

在圆柱坐标系下,利用分离变量的方法求得了非局域克尔介质中拉盖尔-高斯光束传输的精确解析解。当输入功率等于临界功率时,光束演变为拉盖尔-高斯涡旋光孤子,是一种旋转的多环光孤子;当输入功率接近于临界功率时,光束在传输过程中形成拉盖尔-高斯涡旋呼吸子。结果表明,低阶的拉盖尔-高斯孤子呈现中空多峰亮环分布。     

部分相干双曲余弦高斯光束通过湍流大气的光束扩展

基于广义惠更斯-菲涅尔原理，并采用将部分相干双曲余弦高斯光束用厄米-高斯光束的非相干叠加表示的方法，研究了部分相干双曲余弦高斯光束通过湍流大气的光束扩展问题，推导出了部分相干双曲余弦高斯光束通过湍流大气均方根束宽的解析表达式.研究表明，部分相干双曲余弦高斯光束的扩展随着湍流大气的折射率结构常数C²_n和光束离心参数δ的增大而加剧.但是，随着δ的增大，部分相干双曲余弦高斯光束受到湍流的影响减小. 关键词： 部分相干双曲余弦高斯光束 湍流大气 光束扩展     

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.     

贝塞尔高斯涡旋光束在大气湍流中的传输特性

为了探测更高轨道的空间目标,研制了一台通光口径为Ф750 mm的望远镜.该望远镜为主焦点光学系统,由一片二次非球面反射元件和四片透射元件组成,具有大视场(4°),大相对孔径(1∶1.32)和宽光谱(500~800 nm)的特点.本文以该望远镜的研制为基础,介绍了其光学系统各个元件的单独检测和系统装调完成后的整体检测方法和过程.采用样板法对系统中的球面透射元件进行了单独检测,采用透射无像差补偿器法对二次非球面反射镜进行了单独检测,采用反射无像差补偿器法对组合起来的透射校正镜组进行了检测,并且对系统装调对准之后的光学系统进行室内平行光管和室外对星观测两种方法进行检测.测量结果均满足设计要求,其中球面透镜的面形误差小于0.1个光圈,反射元件和透射元件非球面表面的面形误差均优于λ/30(λ=632.8 nm),透射校正镜组的波像差优于λ/30(λ=632.8nm).光学系统整体检测结果表明,室内和室外检测结果一致,其像面的80% 能量集中度直径在4°的全视场范围内均小于2个像元,达到了设计的成像要求.     

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.     

高斯涡旋光束在大气湍流传输中的特性研究

为了研究大气湍流对高斯涡旋光束传递信息的影响,理论分析了经过大气湍流的高斯涡旋光束轨道角动量(OAM)模式的径向平均功率和归一化平均功率分布、固有模式指数、初始光束半径和湍流强度;采用纯相位扰动逼近的有效性,数值模拟高斯涡旋光束在传输中的OAM模式径向平均功率分布的变化。建立传输模型并进行外场激光大气传输实验,对比分析了模拟和实测的OAM归一化平均功率分布,结果表明在弱湍流条件下,OAM模式的径向平均功率随着接收器孔径尺寸的增加而变化,逐渐趋于稳定值。对于一般常用的接收孔径,在强湍流或较小的初始光束半径条件下对OAM模式干扰十分严重。验证了用数值方法模拟OAM在湍流介质中的模式变化过程的可靠性。     

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     

拉盖尔-高斯光束的部分相干特性对克尔效应的影响

拉盖尔-高斯光束由于其特有的涡旋特性使其在大气传输过程中具有更好的稳定性。实际激光输出存在的部分相干性将对光束传输具有明显的影响,在大功率输出模式下,克尔效应的产生也会影响到光束传输的特性。本文从部分相干拉盖尔-高斯光束的交叉谱密度方程出发,推导了克尔效应作用下光束的传输表达式,利用分步傅里叶变换,对高功率部分相干涡旋传输中的克尔效应过程进行了模拟,并对比了不同参数影响下,光束相干性不同时克尔效应的差异。结果表明,克尔效应有助于维持光强的环状结构,提高拓扑荷数能够有效地缓解因相干度降低而造成的涡旋结构衰退的现象。