部分相干涡旋光束在湍流大气中的传输特性

根据广义的惠更斯-菲涅耳原理,推导了部分相干涡旋光束在湍流介质中传输时光强分布情况的理论公式,详细研究了部分相干涡旋光束在湍流介质中的传输变化规律。研究结果表明,湍流介质的强弱,光源的相干性以及光束所带拓扑电荷数大小均会影响光束传输特性。     

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.     

部分相干平顶光束在线性增益(损耗)介质中的光谱特性

根据Li提出的平顶光束模型和部分相干光理论，推导出部分相干平顶光束在线性增益(损耗)介质中传输的光谱分布解析表达式，定量研究了部分相干平顶光束在线性增益(损耗)介质中传输的光谱特性，分析了近场和远场轴上光谱的变化特点，以及介质的增益(损耗)特性、光源的中心频率、空间相干参数以及谱宽等因素对光谱变化的影响. 研究结果表明，部分相干平顶光束在线性增益(损耗)介质中传输时，光源的中心频率、光谱宽度、空间相干参数对相对谱移量影响较大，但对光谱分布随传输距离的总体变化趋势影响较小，而光谱分布随传输距离的总体变化趋势则主要由平顶光束的阶数所决定. 关键词： 部分相干平顶光束 光谱特性 谱移 线性增益(损耗)介质     

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.     

光源参数及大气湍流对电磁光束传输偏振特性的影响

根据光束扩展理论,以部分相干的电磁高斯-谢尔光束为研究对象,分析了电磁光束传输时其偏振特性的变化机理.结果表明,光源参数和大气湍流对电磁光束分量扩展的影响是导致传输过程中电磁光束偏振特性变化的原因.在真空中传输时,电磁光束两分量的相干性存在差异,导致传输时电磁光束两分量扩展快慢不同,从而引起传输路径上光束谱偏振度的变化.在大气湍流中,电磁光束两分量扩展的快慢与光源参数和大气湍流强度均有关,当传输路径较短时,电磁光束偏振变化主要与光源参数有关,变化特性与在真空中传输时的情况类似,而传输距离较远时,电磁光束偏振变化受大气湍流的影响明显,变化特性与在真空中传输时的情形存在不同.     

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.     

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     

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.     

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.     

高斯-谢尔模型光束在海洋湍流中偏振传输特性

基于广义惠更斯-菲涅耳衍射原理和光束的偏振相干统一理论,研究了高斯-谢尔模型光束在Kolmogorov海洋湍流中传输时偏振特性的变化规律,得出了保持偏振特性不变时的条件.在此基础上,研究了完全偏振线偏振光与圆偏振光在海洋湍流中的偏振传输特性,结果表明:在Kolmogorov海洋湍流下,完全偏振的高斯-谢尔模型光束的偏振特性不受海洋湍流影响.     

Propagation properties of anomalous hollow beams in a turbulent atmosphere

Propagation of circular and elliptical anomalous hollow beams in a turbulent atmosphere is investigated in detail. Based on the extended Huygens–Fresnel integral, analytical formulae for the average irradiance of circular and elliptical anomalous hollow beams propagating in a turbulent atmosphere are derived. The irradiance and spreading properties of circular and elliptical anomalous hollow beams in a turbulent atmosphere and in free space are studied numerically. It is found that circular and elliptical anomalous hollow beams at short propagation distance in turbulent atmosphere have similar propagation properties to those of free space, while at long propagation distance, circular and elliptical anomalous hollow beams eventually become circular Gaussian beams in a turbulent atmosphere, which is much different from their propagation properties in free space. The conversion from an anomalous hollow beam to a circular Gaussian beam becomes quicker and the beam spot spreads more rapidly for a larger structure constant, a shorter wavelength and a smaller waist size of the initial beam.     

湍流大气中高斯谢尔光束的波前位错

在Rytov近似下,通过引入短期统计平均位错位置的概念,研究了高斯谢尔光束通过近地面弱湍流大气传播时,波前圆形位错形成和位错位置与湍流大气起伏强度和传播距离等参数间的关系.基于湍流大气中平行和交叉双光束的简化近似传输模型,研究了湍流大气中传播高斯谢尔光束波前位错位置与大气湍流强度、传输距离等参数间的相关机制.在远小于光波位相起伏周期的条件下,分别得出了束径不同同轴双光束和交叉双光束传播情况下波前圆位错位置的湍流系综统计平均理论关系.所得结果表明,同轴平行光束干涉和交叉光束干涉所产生的光束波前位错受大气湍流强度、传输距离等参数调制的规律是不同的.     

Partially coherent aberrated beam propagating in a turbulent atmosphere

Based on the extended Huygens-Fresnel principle, the propagation formulate for partially coherent aberrated beam in a turbulent atmosphere has been derived. Then the propagation of such beams in the turbulent atmosphere has been studied in great detail. It is found that beams with spherical aberration spread more rapidly than those without spherical aberration. It is also found that the beam spreads more rapidly for a stronger turbulence or a source with lower coherence. In addition, some explanation to those results is also given.     

Propagation of Gauss--Bessel beams in turbulent atmosphere

This paper studies the propagation properties of Gauss--Bessel beams in a turbulent atmosphere. Based on the extended Huygens--Fresnel principle, it derives the intensity distribution expression for such beams propagating in a turbulent atmosphere. Then the influence of turbulence and source beam parameters on the beam propagation is studied in great detail. It finds that the intensity distribution of Gauss--Bessel beams will change into Gaussian profile in a turbulent atmosphere, and that stronger turbulence and smaller topological charges will lead to a faster changing.     

Propagation analysis of flattened circular Gaussian beams with a misaligned circular aperture in turbulent atmosphere

The propagation properties of flattened Gaussian beam with a misaligned circular aperture in turbulent atmosphere have been studied by using the extended Huygens-Fresnel formula. From the study and numerical calculation, the effects of aperture parameters on the propagation properties of flattened Gaussian beams in turbulent atmosphere have been illuminated. The results show that angle misalignments and lateral displacements of aperture create unsymmetrical average intensity distribution at any cross section. The intensity distributions are much more sensitive to the lateral displacement than to the angle misalignments. And the propagation properties of different flattened Gaussian beams in turbulent atmosphere are also compared.     

涡旋光束在湍流大气中的传输特性

根据广义的惠更斯-菲涅耳原理, 研究了涡旋光束在湍流大气中的传输特性。研究结果表明, 涡旋光束在湍流大气中传输时, 截面光强会从空心分布转化为高斯分布。光束所带的拓扑电荷数以及大气湍流均会影响光强分布的变化。研究结果还表明, 涡旋光束能够抑制大气湍流对光束扩展的影响, 这一现象得到了实验上的证实。通过杨氏双缝干涉的方法, 还研究了涡旋光束经过湍流大气传输后的拓扑电荷数。研究发现, 涡旋光束经过湍流大气后, 拓扑电荷数将发生波动。     

Propagation of a Hermite–Laguerre–Gaussian beam in a turbulent atmosphere

The propagation and spreading of a Hermite–Laguerre–Gaussian (HLG) beam in a turbulent atmosphere has been investigated. Based on the extended Huygens–Fresnel integral and some mathematical techniques, analytical expressions for the average intensity, the effective beam size, and the kurtosis parameter of an HLG beam in a turbulent atmosphere are derived, respectively. The average intensity distribution and the spreading properties of HLG beams in a turbulent atmosphere are numerically demonstrated. Upon propagation in a turbulent atmosphere, the central lobes in the beam spot of the HLG beam will evolve into the dominant lobes, and the peripheral lobes around the central lobes will evolve into the subdominant lobes. The influences of the additional angle parameter and the transversal mode numbers on the propagation of HLG beams in a turbulent atmosphere are also discussed. As the coherence length of the turbulence is determined by the propagation distance, the effect of the additional angle parameter on the effective beam size is related to the propagation distance. The kurtosis parameter generally increases with increasing the additional angle parameter. The influence of the transversal mode numbers on the kurtosis parameter is related to the additional angle parameter and the propagation distance. According to the practical need of free-space optical communications and remote sensing, the HLG beam in a turbulent atmosphere can be controlled by choice of the additional angle parameter and the transversal mode numbers.     

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.     

扰动大气中部分相干光束的光谱特性

对扰动大气中传输的部分相干光束的光谱演化特性进行了研究。利用推广的惠更斯一菲涅耳原理．得到了扰动大气中部分相干光束的交叉光谱密度,据此分析了在大气扰动影响下部分相干光束的频移效应以及空间相干度的变化规律。结果表明：由于大气扰动的影响,在光束传输过程中,轴上光谱先是出现蓝移,蓝移量先增大后减小,传输足够远距离之后将出现红移,并且光束的相干性越差,就需要传播越远的距离才会发生红移;而光束的空间相干度随传输距离增大到一定程度之后开始减小,最终将趋于零。通过与自由空间中部分相干光的传输特性比较,发现当光束的传输距离比较小时．大气扰动效应对光谱特性的影响很小,只有在传输距离足够远时,大气扰动对光谱特性的影响才会明显地表现出来。