像差对聚焦高斯光束大气传输轴闪烁特性的影响

采用多层相位屏的数值模拟方法,定量研究了几种典型像差对聚焦高斯光束在湍流大气中传输的轴闪烁特性的影响。研究结果表明,像散和慧差像差对远场光斑的轴闪烁分别具有较强的抑制和促进作用,较强的慧差和像散能分别提前和延后光斑轴闪烁饱和的出现。湍流较弱时的聚焦高斯光束大气传输光强起伏概率严重,湍流越强,光强起伏概率越接近于对数正态分布,且基本满足偏斜度为负,陡峭度为正。弱、中等湍流强度下,像差权重较大时,光强起伏概率分布主要受像差影响;像差权重系数较小时,光强起伏概率分布主要受湍流效应的影响,且各像差主要影响光强较弱区域的起伏分布情况。强湍流强度下,湍流效应对光强起伏概率分布占主要作用,趋近于对数正态分布。     

湍流大气中激光传输光强起伏特征研究

通过实验观测了湍流大气中光束准直传输时光束横截面上不同面积内的光强起伏特征。采用相对光强起伏方差与孔径平滑因子描述不同面积内的光强起伏特征并比较了不同湍流条件和不同面积内相对光强起伏方差的概率分布密度。实验结果表明,在该实验条件下明显出现孔径平滑效应时对应接收面积呈现湍流越强接收面积越小的规律;不同接收面积内相对光强起伏方差概率分布密度可以用对数高斯分布近似,不同接收面积和湍流强度下近似程度不同;采用偏斜度和陡峭度来描述接收面积不同和湍流强度不同时概率分布密度与对数高斯分布的偏差并比较了拟合曲线特征的变化。同时初步比较了连续光与脉冲光相对光强起伏方差概率分布的异同。     

兰州地区夜间光强起伏特性实验

在兰州地区夜间进行了链路长为610m的激光传输实验,研究了晴、阴、沙尘、雨夹雪天气下光强起伏的统计特性.采用闪烁法测量了不同天气下的大气折射率结构常数C_n~2,分析其最大值、最小值、均值和标准差,得到实验期间C_n~2值的范围为1.06×10~(-15) m~(-2/3)~1.05×10~(-13) m~(-2/3),均属于中等湍流;而且晴天和雨夹雪天气下C_n~2值以及起伏程度均大于阴天和沙尘天的值.同时,利用实测光强值分析了Rytov方差,结果表明:晴、雨夹雪、沙尘天气下光强起伏大部分时间属于弱起伏,有小部分时间跨入中等起伏区,而阴天下光强起伏均属于弱起伏,且晴天和雨夹雪天气下光强起伏大于阴天和沙尘天.通过对光强频数分布进行对数正态、Gamma-Gamma和指数威布尔非线性拟合,不同天气下光强起伏概率分布最为接近指数威布尔分布,其拟合优度均大于0.989 95,而在弱到中等起伏区,Gamma-Gamma分布拟合效果优于对数正态分布.     

圆柱状量子点量子导线复合系统的激子能量和电子概率分布

建立了圆柱状量子点量子导线复合系统中激子满足的方程，用微扰论求出激子能量.以CdS/HgS/CdS/HgS/CdS圆柱状量子点量子导线复合系统为例，研究了系统中电子的概率分布和系统线度对激子能量的影响.结果表明：系统中电子、空穴以及激子的能量均随量子点高度h₀的增大而减小，电子-空穴相互作用对基态激子能量的影响要大于激发态；电子沿径向方向的概率分布呈起伏状，在轴线和表面附近的概率趋于零，而在R/2附近概率最大；在量子点附近电子沿轴向方向的概率分布呈振荡特征 关键词： 量子点 量子导线 激子 能量     

上下行传输孔径接收光强起伏特性分析

为了研究地星上行和星地下行激光链路孔径内接收光强信号的典型特征,基于大气湍流理论和位相屏方法,计算了短波和中波红外激光在特定大气相干长度条件下,孔径内接收激光功率与总功率的比值及起伏情况。根据统计结果讨论了上下行大气通道传播特性的差异,结果表明相同外界条件下,直径50 cm孔径内接收的下行激光信号强度大于上行激光信号强度1个数量级以上,其信号的起伏程度也低于上行激光;中等湍流下,下行激光孔径接收光强的概率分布函数服从对数正态分布,最大概率接收功率比与无湍流条件下的功率比值一致,分别为0.42%(1.315 m)和 0.26%(3.8 m)。     

城市路径下激光光强起伏特性测量及链路余量估算

 在城市环境下进行了3.5 km的激光大气传输实验。实验中对光强起伏和到达角起伏进行了同步测量,分析了接收光强起伏的统计特性以及传输路径上大气折射率结构常数的特性。基于实验结果,对自由空间光通信中不同闪烁指数下的衰落冗余以及不同探测阈值下的衰落概率进行了估算,从而为空间光通信系统的设计提供可靠的实验基础。     

兰州地区光强分布及其起伏特性研究

在兰州地区夜间进行了链路长为610m的激光传输实验,研究了高斯激光在不同天气条件下的光强分布及其起伏特性.采用三维伪彩色变换方法,分析了光斑光强的空间分布规律,得到了光斑主瓣光强服从类高斯分布,并按照晴天、多云天、阴天的顺序,光斑几何中心位置附近光强分布的陡峭度依次减小,而其衰减则依次增大的结论.同时,利用实测光强值分析了大气闪烁指数,结果表明:晴天、雨后晴天和阴天下的闪烁指数分别为0.225 4、0.189 2、0.188 8,这说明晴天下的光强起伏大于雨后晴天和阴天的,且均为弱起伏.通过对归一化光强的频数分布进行非线性拟合得到了光强的概率密度分布,它们均服从对数正态分布,其中晴天下的概率密度曲线的拟合优度更是达到了0.997 50.     

复杂传播路径条件下激光光强起伏特性研究

对复杂地形情况下实际湍流大气中的激光强度起伏进行了系统的实验观测,分析了光强起伏统计特征的周日及全年变化规律。结果发现：复杂地形情况下实际湍流大气中的激光光强起伏,不论是概率密度分布还是其功率谱等统计特征均与理论上的偏离很大。     

信号光束宽度对不同漂移误差的空间光通信系统误码率影响的研究

信号光束宽度直接影响着空间光通信系统误码性能,光束宽度的选择需要综合考虑多种因素。研究了激光在大气湍流中的光束漂移、光强闪烁和平均光强与光束宽度的关系,得到考虑漂移因素的光强闪烁和平均光强与光束宽度的关系。分析表明在弱湍流条件下,光强闪烁和平均光强与光束宽度和对准精度相关,讨论了在水平路径上未跟踪补偿和跟踪补偿的光束的光强闪烁和平均光强随光束宽度的变化趋势。利用数值方法得到光强闪烁最小、平均光强最大时的光束宽度取值区间,通过光强概率分布关系和实际应用要求实现了光束宽度的优化选取。结果表明,在相同系统信噪比情况下,跟踪光束与未跟踪光束相比,系统误码率低,光束宽度值相对较小,取值区间大。     

对流湍流池Fried相干长度的光学结构

利用不同的方法，测量并比较了用自适应光学补偿实验的对流湍流池的相干长度，给出到达角起伏谱和起伏方差的概率分布，结果表明，在对流湍流池中，光束的到达角起伏谱满足“－８／３”幂，由于相位起伏服从正态分布，因此到达角起伏的方差呈Ｘ＾２分布，到达角起伏在水平和垂直方向上的谱完全一致表明了湍流池湍流的各向同性特征，相干长度与对流湍流池上下温差的实验结果，符合以往对流湍流池的流体力学和热力学相心关系。     

浅海混响建模的声束跟踪理论

研究建立了基于声束跟踪理论的浅海混响强度计算方法和混响时间序列仿真方法。给出了混响强度计算的简要理论推导,并进行了模型计算值与实验值的比较。建立了一种混响时间序列仿真模型,给出了其实现框架和方法。结合实验数据与文献研究结果,进行了混响序列相关特性的检验与分析。结果表明:建立的混响强度计算模型能很好地进行浅海混响强度的预报,混响序列仿真模型能仿真具有不同包络分布的混响序列,且其相关特性符合实验与文献研究结果。      

千瓦级COIL-UR90实验研究

 首次报导了千瓦级化学氧碘激光器（COIL）采用束转动90°环形非稳腔(UR90)的实验结果,测量了输出光斑的近场相位分布及远场强度分布, 当激光输出平均功率为2kW时,光束质量因子b =3~4。     

单光子轨道角动量的传输特性研究

描述了高阶椭圆厄米-高斯光束及其单光子平均轨道角动量,并分析了一些与其单光子轨道角动量变化的有关情况,通过计算机仿真简要进行了说明.最后分析了单光子轨道角动量在空间某范围的概率分布及其变化情况.研究结果表明,高阶椭圆厄米-高斯光束与物质相互作用时,其单光子平均轨道角动量的变化幅度随接触物质材料的不同而异.     

Diagnostic system for two dimension intensity distribution of laser beam

The diagnostic system for two dimension(2-D)intensity distribution of laserbeam is a measuring instrument for many parameters of laser beam.2-D intensity distributionplot of laser beam is obtained by the two dimension scanning mirror which is controlled by amicrocomputer to scan the laser beam on a detector.Many parameters of laser beam such asthe isointensity distribution plot,the beam diameter,the beam waist diameter,the laser pow-er,the diverge angle and the beam brightness,are given by means of the microcomputer pro-cessing the data measured.Theoretical analysis of beam parameter transform is given.     

A comparison of two methods for determining ultrasonic intensity for medical transducers

The spatial and temporal average intensity (ISATA) is determined for four diagnostic ultrasound transducers by two methods: (a) direct measurements (beam profiling) with a miniature hydrophone, as described in the AIUM-NEMA standard, and (b) estimating from measurements of total power and assumptions about beam size. The latter method is frequently used by diagnostic ultrasound manufacturers when reporting output levels to users and regulatory agencies. However, due to the conventions for defining beam area, this method actually overestimates the spatial average intensity. For the four transducers tested, the estimated ISATA exceeds the measured ISATA by several hundred percent. The spatial peak, temporal average intensity (ISPTA) was also measured for the four transducers and is less than the estimated ISATA in every case.     

衍射和干涉理论对Bessel光传输的描述

 采用衍射积分理论和干涉理论分别对轴棱锥产生的Bessel光的传输特性进行描述,并讨论了其适用条件和优缺点。数值模拟了光传输的3维强度分布,同时进行相关参数的实验测定。数值模拟和实验结果表明：在最大无衍射距离内,衍射理论能很好地描述Bessel光的轴上光强分布,当接近或超出最大无衍射距离时,干涉理论也能较好地描述Bessel 光的强度分布,实验结果和理论分析基本吻合。     

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。     

用CCD摄像机检测激光器输出光束的指向稳定性

报导用CCD摄像机检测激光器输出光束的指向稳定性的实验结果。系统由计算机控制，可同时显示远场光斑形状及强度分布。测量He-Ne激光器、半导体激光器及氩离子激光器指向稳定性及激光束输出强度的稳定性。     

Intensity fluctuations of a thin laser beam in a waveguide channel with large-scale random inhomogeneities

The propagation of a thin laser beam in a waveguide channel characterized by a parabolic profile of the refractive index and the presence of large-scale random inhomogeneities is investigated. The probability distribution functions of the random beam width and intensity fluctuations at the center of the beam and on the duct axis are determined. It is known that the random width of the beam and the intensity fluctuations of its center have log-normal distributions, while the variance of the intensity fluctuations at the center of the beam are saturated in the range of strong scintillations.Translated from Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii, Radiofizika, Vol. 21, No. 12, pp. 1785–1796, December, 1978.The authors are grateful to A. N. Malakhov for interest in the study.     

部分相干Airy光束在大气湍流中的光强演化

为了利用Airy光束的无衍射、自恢复和自弯曲特性抑制大气湍流效应,实现远距离无线光通信,对部分相Airy光束在大气湍流中传输时的光强演化进行了研究.利用高斯-谢尔模型的交叉谱密度函数、广义惠更斯-菲涅尔原理以及Rytov相位近似法,推导了部分相干Airy在湍流大气中平均光强的表达式.分别从传播距离、湍流强度等方面对光强分布的影响进行了模拟仿真,并对光束自身参数对光强分布的影响进行了相关实验验证.结果表明:随着传播距离的增加,部分相干Airy光束的旁瓣逐渐衰减,主瓣逐渐扩散;在传播足够远时,其旁瓣逐渐消失,主瓣逐渐演化为高斯分布.仿真和实验结果一致表明光束的截断因子越小、特征长度和相干长度越长,光束的光强分布保持越完整.