Effect of spherical aberration on scintillations of Gaussian beams in atmospheric turbulence

The effect of spherical aberration on scintillations of Gaussian beams in weak, moderate and strong turbulence is studied using numerical simulation method. It is found that the effect of the negative spherical aberration on the on-axis scintillation index is quite different from that of the positive spherical aberration. In weak turbulence, the positive spherical aberration results in a decrease of the on-axis scintillation index on propagation, but the negative spherical aberration results in an increase of the on-axis scintillation index when the propagation distance is not large. In particular, in weak turbulence the negative spherical aberration may cause peaks of the on-axis scintillation index, and the peaks disappear in moderate and strong turbulence, which is explained in physics. The strong turbulence leads to less discrepancy among scintillations of Gaussian beams with and without spherical aberration.     

不同地区大气光学湍流内外尺度测量

 用光学湍流参数自动测量系统对内陆地区和沿海地区光学湍流内外尺度进行了大量的实验观测。分析了湍流尺度的日变化规律,给出了其频数分布。结果表明：两地内尺度的均值为十几mm,外尺度的均值约为2 m;内陆地区内尺度日变化趋势较为复杂,而外尺度的日变化趋势与湍流强度十分相似;沿海地区内外尺度与湍流强度均无明显关系。大气湍流尺度的大小和分布状态是随时间和空间变化的,因此,在估算实际大气湍流对光学系统的影响时,需要实测湍流尺度以便得到准确的结果。     

同步测量大气湍流折射率结构常数和内尺度的光学方法

 基于不同波长的光闪烁,采用修正的大气湍流Hill谱模型,提出了一种同时反演大气湍流内尺度及折射率结构常数的方法。假定内尺度在某一个范围内取值,对于不同波长的闪烁指数,如果当内尺度取某一定值时,由光传输理论计算的C²_n(λ₁,…)和C²n (λ₂,…)相等,反演成功。根据此原理设计了三波长闪烁计并在某地进行了外场测量。近地面大气湍流的内尺度一般在2~10 mm之间,且随折射率结构常数（其量级为10^-16~10^-13）的变化而变化,两者之间存在一定的正相关;任意两波长组合进行反演得到的内尺度(或折射率结构常数)值具有自洽性,其相关系数的最小值为0.81,因此证明了该方法的可行性。     

Rytov variance equivalence through extended atmospheric turbulence and an arbitrary thickness phase screen in non-Kolmogorov turbulence

An arbitrary thickness phase screen model can describe scintillation index for Gaussian beam propagating through a phase screen more accurate than thin phase screen model. To describing actual scintillation index for Gaussian beam propagating through an extended medium using a phase screen in weak non-Kolmogorov turbulence, the scintillation index and Rytov variance for arbitrary thickness phase screen model are derived. Specially, the ratio of the Rytov variances for a phase screen and extended random media is found under the assumption of equivalence in scintillation index of the two cases. The theoretical results show that the normalized Rytov variance varies with the power law of the turbulence spectrum, the relative thickness of the phase screen, the position of the phase screen, the transmitter beam parameters and the radial position at output plane. The influences of these variables are also simulated. These results will be applied to simulation of adaptive optics and laser communication.     

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     

Effect of atmospheric turbulence on entangled orbital angular momentum three-qubit state

The entangled orbital angular momentum(OAM) three photons propagating in Kolmogorov weak turbulence are investigated. Here, the single phase screen model is used to study the entanglement evolution of OAM photons. The results indicate that the entangled OAM three-qubit state with higher OAM modes will be more robust against turbulence.Furthermore, it is found that the entangled OAM three-qubit state has a higher overall transmission for small OAM values.     

间歇性大气湍流中光传播问题的近Gauss极限分析

间歇性是湍流的重要特征，多年来一直是湍流研究的核心内容之一.考虑大气湍流中的光传播问题，一般回避其间歇性，假设大气介电起伏满足Gauss统计.考虑大气湍流（内）间歇性 对光波传播的影响.考虑到大气介电起伏方差较小的事实，将光场统计矩方程在Gauss场附近 展开到四阶累计量，分析其近似解.进一步，以层次结构模型为基础，着重研究了光场二阶 统计矩的间歇性效应.研究表明，大气湍流间歇性对光场的影响很小. 关键词： 光波传播 大气湍流 间歇性     

Point-diffraction interferometer for atmospheric adaptive optics in strong scintillation

This paper evaluates the performance of a point-diffraction interferometer for closed-loop adaptive optics. A point-diffraction interferometer was built using a modified Mach-Zehnder set-up. The system was used in closed-loop using a SLM to implement a square, 12 × 12, piston-only segmented corrector with a stroke of ±π. Its performance was tested for the case of atmospheric turbulence aberrations. The investigation showed, through simulation and experiment, that the point-diffraction interferometer worked in closed-loop operation in both uniform intensity and scintillated aberrations. Its robustness in the presence of phase discontinuities makes it a promising option for wavefront sensing in strong scintillation.     

Partially coherent Gaussian–Schell model pulse beam propagation in slant atmospheric turbulence

Based on the extended Huygens-Fresnel principle, a two-frequency, two-point cross-spectral density function of partially coherent Gaussian-Schell model pulse （GSMP） beam propagation in slant atmospheric turbulence is derived. Using the Markov approximation method and on the assumption that （w1 - w2）/（w1 ＋ w2） ≤ 1, the theory obtained is valid for turbulence of any strength and can be applied to narrow-band signals. The expressions for average beam intensity, the beam size, and the two-frequency complex degree of coherence of a GSMP beam are obtained. The numerical results are presented, and the effects of the frequency, initial pulse width, initial beam radius, zenith angle, and outer scales on the complex degree of coherence are discussed. This study provides a better understanding of the second-order statistics of a GSMP beam propagating through atmospheric turbulence in the space-frequency domain.     

大气湍流对空间光耦合至单模光纤的影响

 根据弱湍理论,考虑湍流强度闪烁、孔径平均效应、湍流波前畸变及耦合系统跟踪误差的影响,导出了空间光到单模光纤的平均耦合效率及耦合功率起伏方差模型。根据Hufnagel-Valley 5/7折射率结构模型,对下行连接及上行连接的平均耦合效率及耦合功率起伏进行了研究。仿真结果表明,对于下行连接,随着地面接收天线孔径的增大,相对功率起伏先是由于孔径平均效应而减小,而后由于湍流波前畸变的影响而逐渐增大;对于上行连接,可忽略湍流波前畸变及孔径平均效应的影响。     

湍流大气中激光传输对傅里叶望远镜成像质量的影响

针对傅里叶望远镜系统激光在湍流大气中传输造成的成像质量下降,分析了湍流对光束传输特性的影响,指出成像质量的下降主要来自于上行传输链路中湍流造成的光束漂移与光束扩展,从而产生光束指向误差。分析了指向误差影响成像的机理。通过数值计算得出了不同强度湍流造成整条上行链路光束指向误差,并通过系统仿真,得到了不同强度大气湍流条件下的成像结果。结果显示：在弱湍流与中湍流条件下（大气折射率结构常数小于10-14 m-2/3）,随机指向误差较小(偏移比小于0.06),复原图像有较好的识别性;在强湍流条件下,成像质量下降严重。因此系统应选择避开强湍流地理位置与时段进行工作。     

湍流大气中激光传输对傅里叶望远镜成像质量的影响

针对傅里叶望远镜系统激光在湍流大气中传输造成的成像质量下降,分析了湍流对光束传输特性的影响,指出成像质量的下降主要来自于上行传输链路中湍流造成的光束漂移与光束扩展,从而产生光束指向误差。分析了指向误差影响成像的机理。通过数值计算得出了不同强度湍流造成整条上行链路光束指向误差,并通过系统仿真,得到了不同强度大气湍流条件下的成像结果。结果显示:在弱湍流与中湍流条件下（大气折射率结构常数小于10-14 m-2/3）,随机指向误差较小(偏移比小于0.06),复原图像有较好的识别性;在强湍流条件下,成像质量下降严重。因此系统应选择避开强湍流地理位置与时段进行工作。     

Method for estimating the impact of atmospheric turbulence on 3D angular deformations measurement

The optical method is one of the most accurate methods for the 3D angular deformations measurement. However, the measured results fluctuate around a mean value as a result of the impact of the atmospheric turbulence, and the relationship between the fluctuation and the atmospheric turbulence is unclear. In this paper, we propose an optical 3D angular deformations measurement method to analyze the optical wave propagation, and study the impact of the atmospheric turbulence. The fluctuations of the three deformation angles are calculated in different atmospheric turbulences. It is found that this optical method is not suitable for high accuracy measurement with the refractive-index structure parameter larger than 10⁻¹⁴ m^−2/3. When the widths of the crosshairs fringes are different, the impacts of the atmospheric turbulence are nearly the same. It is also found that the impact of the atmospheric turbulence can be reduced by increasing the gray value of the image.     

大气湍流对激光通信系统的影响

从分析激光在大气湍流场中的传输方程出发,忽略系统中的其它噪声,仅考虑由大气喘流引起的系统误码率,讨论了激光信号在传输过程中的振幅起伏以及强度起伏;推导出由大气湍流引起的光强起伏和系统误码率的关系,结果表明:在弱起伏条件下,对于系统误码率为10－9以下的要求,光强起伏应小于0.67;随着湍流强度C2n的增大,误码率增加很快;采用长波长的激光进行传输可以有效地降低系统误码率.     

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。     

不同地区大气光学湍流内外尺度测量

用光学湍流参数自动测量系统对内陆地区和沿海地区光学湍流内外尺度进行了大量的实验观测。分析了湍流尺度的日变化规律,给出了其频数分布。结果表明：两地内尺度的均值为十几mm,外尺度的均值约为2 m;内陆地区内尺度日变化趋势较为复杂,而外尺度的日变化趋势与湍流强度十分相似;沿海地区内外尺度与湍流强度均无明显关系。大气湍流尺度的大小和分布状态是随时间和空间变化的,因此,在估算实际大气湍流对光学系统的影响时,需要实测湍流尺度以便得到准确的结果。     

湍流内尺度对光波起伏频谱的影响

在不同湍流内尺度情况下,对大气湍流引起的光波光强闪烁和到达角起伏的时间频谱特征进行了实验研究。由于实际大气湍流的复杂性和不可控性,利用大气湍流模拟箱来生成具有不同内尺度的大气湍流实验环境。利用位置敏感探测器对光波的光强闪烁和到达角起伏进行了同时测量,并反演得到了光传输路径上的湍流内尺度。实验结果显示：湍流内尺度为2.7~5.0 mm,对应同一湍流内尺度,闪烁频谱和到达角起伏频谱在高频段以相同的幂指数关系下降,幂指数的绝对值与湍流内尺度的大小呈线性关系,随着内尺度的增大,频谱指数变化区间逐渐向低频方向移动。     

光纤非相干合成光束在湍流大气中的传输实验研究

进行了六路100 W量级光纤非相干合成光束在实际大气湍流中的传输实验,将六路光斑直径为9 mm的单模光纤光束分别扩束,扩束后的光斑直径为90 mm。基于倾斜镜的合束系统来控制各路光束的指向,在不同强度的湍流条件中,通过主镜口径为440 mm的发射系统水平聚焦传输至470 m处。倾斜控制系统闭环工作时,一倍衍射极限内的桶中功率占目标处总功率的比值是开环工作时的1.7倍左右,随着大气湍流的强度变弱,此比值变大。     

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。     

光纤非相干合成光束在湍流大气中的传输实验研究

进行了六路100 W量级光纤非相干合成光束在实际大气湍流中的传输实验,将六路光斑直径为9 mm的单模光纤光束分别扩束,扩束后的光斑直径为90 mm。基于倾斜镜的合束系统来控制各路光束的指向,在不同强度的湍流条件中,通过主镜口径为440 mm的发射系统水平聚焦传输至470 m处。倾斜控制系统闭环工作时,一倍衍射极限内的桶中功率占目标处总功率的比值是开环工作时的1.7倍左右,随着大气湍流的强度变弱,此比值变大。