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.     

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.     

部分相干空心光束在湍流介质中的传输特性

根据广义的惠更斯-菲涅耳原理，得到了相干度为零阶贝塞耳函数的部分相干空心光束在湍流介质中传输特性的理论公式.据此研究了这种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源光斑大小均会影响光束的传输特性.     

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。     

Propagation of partially coherent controllable dark hollow beams with various symmetries in turbulent atmosphere

Normalized intensity distribution, the complex degree of coherence and power in the bucket for partially coherent controllable dark hollow beams (DHBs) with various symmetries propagating in atmospheric turbulence are derived using tensor method and investigated in detail. Analytical results show that, after sufficient propagation distance, partially coherent DHBs with various symmetries eventually become circular Gaussian beam (without dark hollow) in turbulent atmosphere, which is different from its propagation properties in free space. The partially coherent DHBs return to a circular Gaussian beam rapidly for stronger turbulence, higher coherence, lower beam order, smaller p or smaller beam waist width. Another interesting observation is that the profile of the complex degree of coherence attains a similar profile to that of the average intensity of the related beam propagating in a turbulent atmosphere. Besides the laser power focusablity of DHBs are better than that of Gaussian beam propagating in turbulent atmosphere.     

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     

部分相干电磁光束在湍流介质中传输的偏振变化

从推广的惠更斯-菲涅尔原理出发,推导出了部分相干电磁光束的偏振态在湍流介质中传输的表达式。并以电磁高斯-谢尔模型(EGSM)光束为例,研究了湍流对电磁高斯-谢尔模型光束偏振态的影响。研究结果表明,对于轴上点,湍流介质的折射率结构常数越大,偏振度趋于最大值的速度越快,达到的最大值越小;光斑越大,偏振度达到最大值的位置离光源越远,在光斑增大的过程中,偏振度所达到的极大值会先增大后减小,最后保持与光源相同的偏振度不变。对于轴外点,一个固定的z,光的偏振度随着离轴距离的增大而逐渐下降,并最终等于零。折射率结构常数越大,偏振度随离轴距离的增大而下降得越缓慢;光斑越大,偏振度随离轴距离的增大下降得越快。     

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.     

Propagation and coherence properties of higher order partially coherent dark hollow beams in turbulence

We formulate and evaluate in terms of graphical outputs, source and receiver plane expressions, the complex degree of coherence, beam size variation and power in bucket performance for higher order partially coherent dark hollow beams propagating in turbulent atmosphere. Our formulation is able to cover square, rectangular, circular, elliptical geometries for dark hollow and flat-topped beams in one single expression. From the graphical outputs of the receiver plane, it is observed that higher order partially coherent dark hollow beams will initially develop an outer ring around a central lobe, but will eventually evolve towards a Gaussian shape as the propagation distance is extended. It is further observed that stronger turbulence levels and greater partial coherence have similar effects on beam profile. During propagation, modulus of complex degree of coherence of partially coherent dark hollow beams appears to rise above that of the source plane values, reaching as high as near unity. Beam size analysis shows that, among the types examined, (nearly) flat-topped beam experiences the least beam expansion. Power in bucket analysis indicates that lowest order square fully coherent dark beam offers the best power capturing.     

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.     

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     

非Kolmogorov大气湍流对部分相干厄米高斯光束传输因子的影响

基于非Kolmogorov谱模型,利用广义惠更斯-菲涅耳原理和维格纳分布函数的二阶矩定义,推导出部分相干厄米高斯（H-G）光束在非Kolmogonov大气湍流中传输因子的解析表达式,并用以研究了非Kolmogorov大气湍流对部分相干H-G光束传输因子的影响。结果表明,部分相干H-G光束在非Kolmogorov大气湍流中传输时,传输距离、湍流外尺度、广义结构常量和空间相关长度越小,湍流内尺度和光束阶数越大,光束传输受非Kolmogorov大气湍流影响越小,光束质量越好。当广义指数取3.11时,部分相干H-G光束在传输过程中表现的光束质量最差。     

非Kolmogorov大气湍流对部分相干厄米高斯光束传输因子的影响

基于非Kolmogorov谱模型,利用广义惠更斯-菲涅耳原理和维格纳分布函数的二阶矩定义,推导出部分相干厄米高斯(H-G)光束在非Kolmogonov大气湍流中传输因子的解析表达式,并用以研究了非Kolmogorov大气湍流对部分相干H-G光束传输因子的影响。结果表明,部分相干H-G光束在非Kolmogorov大气湍流中传输时,传输距离、湍流外尺度、广义结构常量和空间相关长度越小,湍流内尺度和光束阶数越大,光束传输受非Kolmogorov大气湍流影响越小,光束质量越好。当广义指数取3.11时,部分相干H-G光束在传输过程中表现的光束质量最差。     

Propagation of partially coherent Bessel-Gaussian beams in turbulent atmosphere

The characteristics of partially coherent Bessel-Gaussian beams propagating in turbulent atmosphere are investigated. Based on the extended Huygens–Fresnel principle, the influence of topological charges and coherence of the source on the intensity and the degree of coherence in the received plane are considered. The influence of atmospheric turbulence on beam profile and coherence in the received plane is also analyzed. It is found that a Bessel-Gaussian shaped intensity distribution will eventually transform into a Gaussian distribution after propagating in turbulent atmosphere. Meanwhile, topological charges, coherence of the source and atmospheric turbulence will also influence the propagation characterizations of the beams.     

Beam propagation factor of partially coherent Hermite-Gaussian beams through non-Kolmogorov turbulence

Based on extended Huygens-Fresnel principle, an analytical expression of M² factor for partially coherent Hermite-Gaussian (PCHG) beams through non-Kolmogorov turbulence is obtained. Our results show that M² factor of PCHG beams depends on coherence length, beam order m, wavelength, exponent value α, outer scale L₀ and inner scale l₀. The impact of the exponent's variation on the M² factor is analyzed in detail. When the propagation distance fixed, the M² factor of PCHG beams has a maximum for alpha values lower than 11/3.