超连续谱激光在湍流大气中传输特性的数值仿真研究

采用多层相位屏的数值仿真方法,综合考虑大气衰减效应和湍流效应,研究了不同湍流强度和不同源相干度条件下超连续谱激光的光束扩展、光斑漂移以及闪烁特性,并对比分析了超连续谱激光传输与单色激光传输特性的差异.结果表明:湍流越强或源相干度越好,超连续谱激光的相对光束扩展越严重;湍流愈强,光斑漂移愈严重,但不同源相干度的超连续谱激光的质心漂移方差几乎相等;降低超连续谱激光的源相干度可以在一定程度上减弱光强起伏的闪烁效应,并降低闪烁指数对离轴距离的依赖性;与单色激光相比,湍流对超连续谱激光的光束扩展以及闪烁效应影响较弱,而质心漂移效应两者差异不明显.单色激光大气传输的数值仿真结果与理论解析结果基本吻合,在一定程度上说明了数值仿真过程的可靠性.该研究不仅提出了一种获得超连续谱激光大气传输特性规律的有效仿真手段,而且为超连续谱激光传输的工程应用提供参考.     

空间激光通信中湍流信道光束传输仿真

对大气光信道特性的研究是空间激光通信研究的重要组成部分。首先以大气湍流理论为基础,阐述了激光在大气中传输时受到的大气湍流的影响和分析方法。接着重点对近年来应用日益广泛的空间激光通信的数值仿真方法进行了综述。不仅介绍了基本传输方程及其求解方法,还对采用数值方法模拟光波在随机介质中传播的若干关键技术进行了分析。最后结合现有的研究成果,说明了数值方法在空间激光通信中的应用。     

激光大气传输湍流扰动仿真技术

为了研究激光大气传输时湍流效应对激光应用技术的影响,对湍流扰动的仿真进行了分析。介绍了在实验室内进行激光大气传输湍流扰动研究的数值仿真技术和仿真系统。阐述了快速傅里叶变换（FFT）和Zernike多项式两种湍流扰动数值仿真方法,并且对比了两种方法的优劣。利用物理相位屏搭建了实物湍流仿真系统,介绍了其理论模型并进行了仿真实验,对激光经湍流系统传输后的光强能量分布进行了研究分析。结果显示,室内湍流仿真系统能够准确地模拟弱起伏条件下湍流对激光传输的影响。     

湍流大气中激光上行和下行传输时相位奇点的演化

利用激光大气传输四维程序数值模拟了激光在湍流大气中上行和下行传输时产生的相位奇点的变化过程。由模拟结果可知,当光束自地面向空中垂直上行传输时,相位奇点数密度随传输高度的变化有一个从无到有、从快速增加到缓慢增加、达到峰值后又减小的过程;湍流越强,畸变光场中产生的相位奇点数密度越大,达到的峰值越高,且达到峰值后减小的幅度也越大,但达到峰值时对应的传输高度越低;当激光自空中某一位置垂直下行传输时,相位奇点数密度随传输距离的增加有一个从无到有、从缓慢增加到快速增加且在接近地平面处急剧增加的过程。另外,通过对模拟结果的曲线拟合发现,激光在湍流大气中上行传输时产生的相位奇点数密度与传输高度的关系符合黑体辐射公式;当激光在湍流大气中下行传输时,相位奇点数密度随传输距离的增加呈指数增加。     

激光湍流大气传输数值模拟中计算参量的选取

根据抽样原则、湍流介质特性、湍流效应和光传播效应等全面分析了网格间距、相屏间距和网格数目等关键计算参量选取的基本要求.通过数值计算,分析各种要求的可行性,表明在具体的数值模拟过程中,并非所有要求都能同时满足,若严格按照要求选择计算参量,所需的计算量常超出计算机负荷范围.结合具体数值计算,综合考虑计算机承受能力和计算准确度,给出了一种可靠实用的计算参量选取思路和方案.     

强湍流效应下激光大气传输短曝光光斑统计分析

利用数值模拟的方法,对强湍流效应下激光大气传输焦平面短曝光光斑的统计特性进行了初步分析,并与实验结果进行了对比。结果表明：在强湍流效应下,焦平面短曝光光斑破碎成一系列的小光斑,这些破碎光斑的等效半径与爱里斑半径近似相等;接收器中心置于光轴轴心处,当接收孔径等于爱里斑直径时,接收的均值光强最大。     

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。     

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。     

湍流大气中图像传输的信息量

分别从系统像的信息量和信息自由度的角度分析了大气湍流对相干和不相干照明光学系统成像质量和分辨率的影响。理论上，处于一定大气湍流条件下的相干照明系统存在着超出经典衍射极限的超分辨率。     

扩展物体漫反射光传输及成像的数值模拟研究

对扩展漫反射体的成像进行了数值模拟研究，利用近轴近似标量波动方程及其分步相屏算法，对漫反射体反射的相对于接收孔径光轴的近轴光传输及其成像进行数值模拟计算分析，结果表明该模拟算法是可行的，也对图像传输的湍流效应进行了初步计算和讨论。     

测距光束光斑漂移的数值仿真

针对远距离激光测距,如地球同步卫星测距、激光测月,利用基于傅里叶变换的分步传播方法对测距光束在湍流大气中的上行传播进行数值仿真.根据大气结构常数廓线,采用等Rytov指数间隔法分布相位屏,与理论值比对的结果表明相位屏的分布合理.在此基础上,对光束的光斑漂移进行分析,得到光斑漂移量与准直测距光束束腰的定量关系,为测距激光...     

基于P3近似的空间分辨漫反射研究

光源附近组织的空间分辨漫反射是近年来生物医学光子学领域的一个研究热点,其目的是发展一种能够测定活体生物组织光学参量的新技术。漫射近似理论研究光源附近组织的空间分辨漫反射具有很大局限性。P3近似理论考虑了相函数的三阶矩,能较准确地描述光源附近组织的光辐射分布。研究了基于P3近似的空间分辨漫反射,从输运理论的PN方程组出发,导出了P3近似方程组和P3近似的格林函数解;阐述了漫射近似与P1近似的关系,给出了外推边界条件下,准直光束近似后的P3近似漫反射率的完整表示,讨论了相函数二阶参量对P3近似漫反射的影响,并与漫射近似和蒙特卡罗模拟结果进行了比较,指出了P3近似的应用范围。     

Long-distance propagation of pseudo-partially coherent Gaussian Schell-model beams in atmospheric turbulence

Propagation properties of spatially pseudo-partially coherent Gaussian Schell-model beams through the atmo- spheric turbulence over a long-distance uplink path are studied by numerical simulation. A linear coordination trans-formation is introduced to overcome the window effect and the loss-of-resolution problem. The beam spreading, beam wandering, and intensity scintillation as functions of turbulence strength, source correlation length, and change frequency of random phase that models the partial coherence of the source are analyzed. It is found that the beam spreading and the intensity scintillation of the partially coherent beam are less affected by the turbulence than those of the coherent one, but it suffers from a more severe diffractive effect, and the change frequency of random phase has no evident influence on it. The beam wandering is insensitive to the variation of source correlation length, and decreases firstly then goes to a fixed value as the change frequency increases.     

大气颗粒物多参数激光自混合传感的数值模拟与特性分析

基于颗粒物米氏散射特性、激光自混合三镜腔理论和激光器稳态条件,推导出在大气颗粒物光反馈下激光器频率、功率、线宽的理论表达式,建立了大气颗粒物光反馈下的激光自混合理论模型。同时,数值模拟和分析了大气颗粒物物理参数对激光自混合干涉信号的影响。结果表明,在一定粒径范围内,激光自混合反馈强度随大气颗粒物粒径增大先增大后减小,且反馈强度峰值出现的位置随颗粒物折射率实部的增大、虚部的减小向粒径较大处移动;自混合系统的外腔长度影响自混合干涉信号的波动深度,激光器输出光信号的幅值随外腔长度增大呈指数衰减;自混合干涉信号波动频率与大气颗粒物运动速度呈线性关系。分析结果对基于激光自混合效应的大气颗粒物多物理参数传感具有重要作用。     

椭圆涡旋光束在海洋湍流中的传输特性

本文采用分步相位屏方法来仿真椭圆涡旋光束在海洋中的实际传输情况,并对椭圆涡旋光束在海洋湍流中的传输光强和闪烁因子进行了仿真。研究发现,椭圆涡旋光束在海洋传输过程中,光斑会发生明显的旋转,同时光斑会产生暗核且暗核个数与光束的拓扑荷数相等。一个拓扑荷数为m的相位奇点会分裂成m个拓扑荷数为1的相位奇点,并且海洋湍流越强,光斑受到的干扰越严重。研究还发现,在较弱的海洋湍流中,随着传输距离的增加,椭圆涡旋光束的闪烁因子会低于高斯光束和涡旋光束的闪烁因子,而且在远距离处拓扑荷数越大闪烁因子降低越明显,同时也发现,传播一段距离后涡旋光束的闪烁因子会低于高斯光束的闪烁因子。在较强湍流中,椭圆涡旋光束的闪烁因子会交叠在一起。对于不同强度的海洋湍流,随着均方温度耗散率的增大,椭圆涡旋光束的轴上点闪烁因子也增大。在同一传输距离处,束腰宽度越小的椭圆涡旋光束闪烁因子越小。     

双变形镜自适应光学全场补偿模拟

在双变形镜自适应光学系统中 ,实现全场补偿的关键步骤之一是使得变形镜 2上主激光的振幅分布具有信标光振幅分布。根据 Y-G波场恢复理论 ,编制了波前恢复程序 ,研究了实现振幅和相位校正湍流问题。研究表明 ,相对于纯相位补偿 ,全场补偿使得 Strehl比提高了 1 .2 7～ 2 .50倍。在变形镜 1和变形镜 2之间的距离为 1 0 m时 ,也使得 Strehl比提高 1 .1 3～ 1 .50倍。     

用波动光学研究X射线激光传播与放大过程

采用放大自发辐射模型，利用快速傅里叶变换解傍轴波动方程，考虑衍射，折射和增益饱和，编制了Ｘ射线激光在多靶中传播与放大的波动光学和程序ＸＷＡＶＥ，给出了Ｘ射线激光的空间分布，角分布和空间相干性的结果。计算结果与多靶实验所给出的增益系数和发射角结果相符合。