Spreading of spatially partially coherent polychromatic beams in atmospheric turbulence

Taking the polychromatic Gaussian Schell-model (GSM) beam as a typical example of spatially partially coherent polychromatic beams, the spreading of polychromatic GSM beams in atmospheric turbulence is studied. The mean-squared width of polychromatic GSM beams in turbulence is derived by using the effective source and the strong fluctuation models. It is shown that the same result is obtained using both the models. The diffraction, atmospheric turbulence and beam polychroism result in a spreading of polychromatic GSM beams. If the scaling law fails, the spreading of polychromatic GSM beams increases with increasing bandwidth Γ, but the influence of Γ on the spreading of polychromatic GSM beams becomes small as the structure constant C_n² of the refractive index and spatial correlation parameter α increase. The spreading of polychromatic GSM beams increases as C_n² increases and α decreases. Spatially partially coherent polychromatic beams are less sensitive to the effects of atmospheric turbulence than spatially fully coherent polychromatic beams.     

部分相干厄米高斯光束在斜程大气湍流中的扩展

基于广义惠更斯-菲涅耳原理,推导出部分相干厄米高斯（H-G）光束通过斜程大气湍流传输的均方根束宽和角扩展的解析表达式,并用以研究了传输路径和光束阶数对部分相干H-G光束传输的影响。引入相对束宽和相对角扩展来定量描述光束抗拒大气湍流的能力。结果表明：在相同条件下,部分相干H-G光束斜程传输受大气湍流的影响要小于水平传输,与水平传输相比斜程传输更有利于部分相干光束在大气湍流中的传输,光束阶数越大部分相干H-G光束受大气湍流的影响越小。     

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.     

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     

Beam propagation factor of partially coherent elegant Hermite-cosh-Gaussian beam through non-Kolmogorov turbulence

Based on the extended Huygens–Fresnel principle and the second moments of the Wigner distribution function, an analytical expression for the propagation factors of partially coherent elegant Hermite-cosh-Gaussian beams (EHChGB) in non-Kolmogorov is derived. The M² factor of partially coherent EHChGB through non-Kolmogorov turbulence is studied analytically and numerically. The results show that partially coherent EHCHGB with higher beam order and longer wavelengths is less affected by non-Kolmogorov turbulence.     

Directionality of partially coherent annular flat-topped beams propagating through atmospheric turbulence

The closed-form expression for the angular spread of partially coherent annular flat-topped beams propagating through atmospheric turbulence is derived by using the integral transform technique. In comparison with previous work, the results obtained in this paper are more general. It is shown that, except for equivalent Gaussian Schell-model (GSM) beams as pointed out in Ref. [T. Shirai, A. Dogariu, E. Wolf, Opt. Lett. 28 (2003) 610], there also exist equivalent annular and non-annular beams which may generate the same directionality as the corresponding fully coherent Gaussian beam both in free space and in turbulence. The theoretical results are illustrated by numerical examples and interpreted physically.     

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。     

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     

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.     

部分相干厄米-高斯光束杨氏实验中的光强分布

将杨氏干涉实验作为双缝衍射现象处理,以部分相干厄米-高斯(H-G)光束为例,研究分析了多模部分相干光的杨氏双缝干涉光强和干涉条纹可见度的空间分布。数值计算说明,多模部分相干光束的空间相干参数、模阶数和缝遮拦比对衍射场中光强的空间分布(干涉花样)都有影响。当多模部分相干光的阶数为奇数时,轴上光强与光束的相干性会出现相消干涉;当多模部分相干光的阶数为偶数时,轴上光强与光束的相干性会出现相长干涉等。     

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.     

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.     

非傍轴部分相干厄米-高斯光束的相干和非相干合成

推导出二维非傍轴部分相干厄米-高斯（H-G）光束相干合成和非相干合成的交叉谱密度和光强的解析公式,并分析了一些特例. 合成光束的光强不仅决定于f参数,f_σ参数,离轴参数,合成光束的束数和阶数以及传输距离z,而且还决定于合成方式. 对部分相干光的相干合成和非相干合成概念做了物理诠释,其正确性为数值计算例证实. 关键词： 部分相干光的相干和非相干合成 非傍轴部分相干厄米-高斯（H-G）光束 自由空间中的传输方程     

大气湍流对多色部分空间相干光传输特性的影响

基于部分相干光的传输定律，对多色部分空间相干光的长程大气传输做了研究.结果表明，无论是否满足定标律，大气湍流会引起多色部分空间相干光的光谱移动和光束扩展；多色部分空间相干光光束扩展比多色完全空间相干光受湍流的影响小.然而，带宽对光强分布的影响较小. 关键词： 多色部分空间相干光 大气湍流 光谱移动 光束扩展     

部分相干厄米-双曲正弦-高斯光束通过湍流大气传输的平均光强分布演化和角扩展

推导出部分相干厄米-双曲正弦-高斯(H-ShG)光束通过湍流大气的平均光强和角扩展的解析表示式,并用以研究了部分相干H-ShG光束在湍流中的平均光强分布演化和角扩展. 结果表明,折射率结构常数C²_n的增加和空间相关长度σ₀的减小都会加速演化过程. 引入相对角扩展来定量描述光束抗拒湍流的能力. 空间相关长度σ₀,束腰宽度w₀和双曲 关键词： 平均光强分布演化 角扩展 湍流大气 部分相干厄米-双曲正弦-高斯(H-ShG)光束