部分相干光在大气湍流中传输的闪烁指数

实验测量了不同空间相干度的部分相干光在实际大气湍流中传输的闪烁指数。结果表明：随着入射光空间相干度的降低,闪烁随光传输距离增长而增加的趋势变得缓慢,甚至出现减小的情况。此外,与完全相干光的闪烁指数随着径向距离的增加而增加不同,部分相干光的闪烁指数沿着光斑径向距离的增加不一定增加,而有可能出现降低。相干度越低,该效应越明显。     

径向部分相干光束在各向异性非Kolmogorov湍流中的传输

具有中心对称相干度分布的非均匀部分相干光,即径向部分相干光束(RPCB),可以有效降低大气湍流引起的光束闪烁,改善接收质量。应用波动光学仿真方法,比较研究了相干高斯光束、高斯谢尔模光束和具有凸型高斯型、超高斯型相干度分布的径向部分相干光束在各向异性的非Kolmogorov湍流中的传输特性,从远场光强分布和孔径平均闪烁指数等方面分析了湍流的各向异性参数和非Kolmogorov功率谱指数对远场光束质量的影响。仿真结果显示,光束的接收质量随功率谱指数的增大而持续劣化;同时,各向异性湍流会导致远场光斑呈椭圆形分布,因而在接收端使用等面积的椭圆接收孔径替代圆形孔径,可以显著降低接收机的孔径平均闪烁指数。总体而言,径向部分相干光束在各向异性非Kolmogorov湍流中,特别是在接收孔径较小的情况下,具有优于完全相干光和高斯谢尔模光束的传输性质。     

伪部分相干高斯-谢尔模型光束在湍流大气中传播的闪烁孔径平滑效应

采用光传播的数值模拟方法, 对伪部分相干高斯-谢尔模型光束大气传播过程进行数值模拟, 统计分析不同接收口径内的光强起伏特性,计算闪烁的孔径平滑因子, 讨论了表征伪部分相干光的调制相位屏的相对变化频率对闪烁指数的影响, 并将其与充分发展的部分相干高斯-谢尔模型光束及完全相干光的闪烁指数对比. 结果表明: 降低光源相干性可大幅度降低闪烁指数, 但同时其闪烁指数的孔径平滑效应减弱, 在相同接收孔径下, 伪部分相干光闪烁指数的孔径平滑效果要比完全相干光差; 增大调制相位屏的相对变化频率可在一定程度上降低闪烁指数, 随着其相对频率的增大, 伪部分相干光的闪烁指数与部分相干光的结果趋于一致. 关键词： 伪部分相干高斯-谢尔模型光束 湍流大气 孔径平滑闪烁指数 数值模拟     

非均匀关联径向偏振部分相干光的产生

从理论和实验两方面对非均匀关联径向偏振部分相干光的产生进行了研究.理论上,基于相位关联与相干度的联系,推导出了非均匀关联径向偏振部分相干光的2×2阶交叉谱密度矩阵及相干度分布.实验上,利用一个相位型液晶空间光调制器的不同区域,对入射的完全相干的径向偏振光的两个正交偏振分量分别加载随机相位调制,并实验测量了这种光束的相干度分布及其对光强分布的影响.实验结果验证了光束相干度的非均匀关联结构,并且通过改变随机相位的高斯调制半宽可以改变光束的相干性分布.研究表明,随着随机相位的高斯调制半宽的增加,光束中两点间的相干度逐渐减小,其光强分布由圆环状逐渐变化为类平顶的光强分布.这种非均匀关联的径向偏振部分相干光在激光微操纵和材料加工等领域具有一定的潜在应用价值.     

部分相干光与相干光在湍流中的传输特性实验研究

相干光经湍流传输引起光强闪烁效应,理论研究表明利用部分相干光可降低该影响,而相关的实验验证鲜有报道。利用水介质的对流湍流池模拟产生了Rytov方差为0.04~0.16的湍流,进行了弱起伏区湍流中部分相干光及相干光的传输实验,由接收光强计算出其光强闪烁指数随湍流Rytov方差的变化关系。实验结果表明:随着湍流强度的增加,部分相干光与相干光的闪烁效应均增强,但部分相干光的闪烁指数小于相干光。将实验数据与Andrews等人建立的闪烁指数理论模型进行比较,得出了较为一致的结论。     

部分相干光与相干光在湍流中的传输特性实验研究

相干光经湍流传输引起光强闪烁效应,理论研究表明利用部分相干光可降低该影响,而相关的实验验证鲜有报道。利用水介质的对流湍流池模拟产生了Rytov方差为0.04~0.16的湍流,进行了弱起伏区湍流中部分相干光及相干光的传输实验,由接收光强计算出其光强闪烁指数随湍流Rytov方差的变化关系。实验结果表明：随着湍流强度的增加,部分相干光与相干光的闪烁效应均增强,但部分相干光的闪烁指数小于相干光。将实验数据与Andrews等人建立的闪烁指数理论模型进行比较,得出了较为一致的结论。     

光源相干度对Bessel光最大无衍射距离的影响

理论分析和实验研究了光源相干度对其产生的Bessel光最大无衍射距离的影响.以He-Ne激光器为光源,用旋转毛玻璃法产生部分相干光,经过扩束后再用轴棱锥法产生Bessel光束.通过移动旋转毛玻璃改变部分相干光的相干度,测量其产生的Bessel光束的最大无衍射距离,得到光源相干度与产生Bessel光束最大无衍射距离的关系.结果表明,随着光源相干度的降低,Bessel光束最大无衍射距离明显变短,当相干度g≈1下降为g=0.8时,最大无衍射距离缩短了一半.用高斯-谢尔模型进行分析和模拟,理论模拟结果与实验观察结果基本吻合.     

部分相干光被色差透镜聚焦的光谱异常现象

研究了色差透镜聚焦宽频带部分相干光,观察到在聚焦光场轴上点出现的光谱奇异现象.结果表明:与入射光的光谱比较,聚焦光场某些轴上点的光谱发生很大的变化.这种光谱变化不仅与透镜的色差有关,而且还与入射的部分相干光的相干度有关.当色差一定时,部分相干光空间相干度越大,色差对轴上点光谱的影响就越大.而当部分相干光空间相干度一定时,色差越大,轴上点光谱的变化也就越大.研究结果还表明,在一定的条件下,光谱位移会发生快速变化,即发生了光谱开关现象.     

部分相干光的轨道角动量及其谱的分析研究

针对光束轨道角动量的研究主要集中在相干光束的研究，而对于部分空间相干光束的轨道角动量研究较少，依据部分相干光的Wigner分布函数推导出部分相干光的轨道角动量表达式，分析了部分相干光的轨道角动量谱特性。采用Mercer展开法得到了轨道角动量谱，计算了给定部分相干光束的轨道角动量谱，讨论了部分相干性对轨道角动量谱的影响。研究结果表明：部分相干光和相干光具有相同的轨道角动量表达式，部分相干光的轨道角动量谱随着相干性的变差而愈发弥散，携带轨道角动量的部分相干光束的轨道角动量谱比不携带轨道角动量的部分相干光束的轨道角动量谱更容易受相干度的影响。     

部分相干光对周期性局域空心光束的影响

用旋转毛玻璃和光阑把激光变成部分相干光, 再经过双轴棱锥系统把一束平行光变成两束同频率但不同径向波矢分量的无衍射贝塞尔光, 相干叠加产生了部分相干的周期性局域空心光束. 通过干涉理论与实验结果相互佐证, 得出局域空心光束的周期为2.5 mm. 进一步探究入射光场相干度对产生局域空心光束的影响, 发现随着相干度的降低局域空心光束中心暗斑与周围光强的衬比度会降低, 但不影响局域空心光束的周期以及中心暗斑尺寸.     

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.     

Propagation of high-power partially coherent fibre laser beams in a real environment

The propagation performance of high-power partially coherent fibre laser beams in a real environment is investigated and the theoretical model of a high-power fibre laser propagating in a real environment is established. The influence of a collimating system and thermal blooming is considered together with atmospheric turbulence and mechanical jitter. The laser energy concentration of partially coherent beams in the far field is calculated and analysed based on the theoretical model. It is shown that the propagation performance of partially coherent beams depends on the collimating system, atmospheric turbulence, mechanical jitter and thermal blooming. The propagation performance of partially coherent beams and fully coherent beams is studied and the results show that partially coherent beams are less sensitive to the influence of thermal blooming, which results in that the energy degeneration for partially coherent beams is only 50% of that for fully coherent beams. Both partially coherent beams and fully coherent beams become less sensitive to thermal blooming when the average structural constant of the refraction index fluctuations increases to 1.7 × 10^-14 m^-2/3. The investigation presents a reference for applications of a high-power fibre laser system.     

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.     

Scintillation calculations for partially coherent general beams via extended Huygens–Fresnel integral and self-designed Matlab function

We present scintillation calculations in weak atmospheric turbulence for partially coherent general beams based on the extended Huygens–Fresnel integral and a Matlab function designed to handle expressions both of the average intensity and the average squared intensity. This way, the integrations are performed in a semi-analytic manner by the associated Matlab function, and this avoids lengthy, time-consuming and error prone hand derivations. The results are obtained for the partially coherent fundamental and higher-order sinusoidal and annular Gaussian beams. By plotting the scintillation index against the propagation distance and source size, we illustrate the on-axis scintillation behaviors of these beams. Accordingly, it is found that within specific source and parameter ranges, partially coherent fundamental, higher-order sinusoidal and annular Gaussian beams are capable of offering less scintillations, in comparison to the fundamental Gaussian beam.     

Intensity fluctuations of partially coherent laser beam arrays in?weak atmospheric turbulence

The intensity fluctuation of a partially coherent laser beam array is examined. For this purpose, the on-axis scintillation index at the receiver plane is analytically formulated via the extended Huygens–Fresnel diffraction integral in conditions of weak atmospheric turbulence. The effects of the propagation length, number of beamlets, radial distance, source size, wavelength of operation and coherence level on the scintillation index are investigated for a horizontal propagation path. It is found that, regardless of the number of beamlets, the scintillation index always rises with an increasing propagation length. If laser beam arrays become less coherent, the scintillation index begins to fall with growing source sizes. Given the same level of partial coherence, slightly less scintillations will occur when the radial distance of the beamlets from the origin is increased. At partial coherence levels, lower scintillations are observed for larger numbers of beamlets. Both for fully and partially coherent laser beam arrays, scintillations will drop on increasing wavelengths.     

Influence of atmospheric turbulence on the propagation of superimposed partially coherent Hermite-Gaussian beams

The influence of atmospheric turbulence on the propagation of superimposed partially coherent Hermite-Gaussian (H-G) beams is studied in detail. The closed-form propagation equation of superimposed partially coherent H-G beams through atmospheric turbulence is derived. It is shown that the turbulence accelerates the evolution of three stages which superimposed partially coherent H-G beams undergo. The turbulence results in a beam spreading and a decrease of the maximum intensity. However, the larger the beam number M, the beam order m, the separate distance x_d, and the smaller the beam correlation length σ₀ are, the less the power focusability of superimposed partially coherent H-G beams is affected by the turbulence. Specially, superimposed partially coherent H-G beams are less sensitive to turbulence than superimposed fully ones, and than partially coherent H-G beams if the beam power focusability and the maximum intensity are taken as beam criterions. However, the maximum intensity of superimposed partially coherent H-G beams is less sensitive or more sensitive to turbulence than that of superimposed Gaussian Schell-model (GSM) beams depending on σ₀.     

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。     

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。