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.     

高斯型非均匀部分相干光的大气湍流传输特性

基于广义惠更斯-菲涅耳原理和交叉谱密度函数,对高斯型非均匀关联的部分相干光束在大气湍流中的传输特性进行了研究.结果表明,部分相干光的相干度的变化和源平面的高斯调制半宽、传输距离等有着密切关系.在传输过程中,初始平面相干度分布存在突变,在传输过程中消失;光束中两点的相干度随着传输距离的增加先增大后减小,并且相干度的分布由非均匀分布变成均匀分布.这种非均匀关联的部分相干光束在激光通信领域具有广阔的应用前景.     

大气对激光传输的影响

本文分析了激光传输过程中大气这一传输介质对其的影响,由大气的成分出发,采用辐射传输理论描述了大气介质的吸收和散射特性,着重分析了其中对辐射影响最大的两种因素,即大气消光和大气湍流。并建立了大气传输系统的传递函数模型。最后通过LOWTRAN模拟软件包对本文所得的模型进行评估。     

大气湍流和热晕综合效应下旋转光束的传输特性

旋转光束指的是一类由拓扑荷数不同的涡旋光束经外差干涉产生的,光强、相位或偏振随时间快速旋转的新型光束.旋转光束在大气通道传输时因其光场随时间快速旋转可遍历大气传输路径上的不均匀性,使得大气湍流和热晕等效应引起的相位畸变在旋转方向得到匀滑,从而达到改善光束质量,提升光束质心稳定性的目的.在考虑大气湍流和热晕综合效应的情况下,建立了旋转光束在大气的传输模型,分析了旋转光束如何缓解大气湍流和热晕效应的物理机制.在此基础上,进一步分析了光束旋转频率和子光束功率比值,以及大气湍流和热晕强度等对旋转光束大气传输特性的影响及规律,从而为激光大气工程应用提供参考.     

相干合成光束在湍流大气中的传输

分析了湍流大气对相干合成光束传输的影响,根据广义惠更斯-菲涅耳原理,对相干合成光束在不同强度湍流大气中传输进行计算,对接收平面处的光强分布的统计特性,如桶中功率(PIB)曲线、局部功率曲线进行比较.研究结果表明,较弱的湍流大气对相干合成光束的传输影响较小,接收平面的光强分布以及PIB曲线基本不变;随着湍流强度的增大,相干合成光束的光强分布和PIB曲线产生显著变化,光斑扩展和能量的弥散速度加快,光束的能量集中度显著降低.计算了湍流大气传输后光束的空间相干度,认为空间相干度下降是降低相干合成效果的原因,对如何降低湍流大气的影响进行讨论.     

大气湍流中部分相干聚焦涡旋光束的传输特性

基于广义惠更斯-菲涅耳原理和相位结构函数的平方近似,研究了部分相干高斯-谢尔模型涡旋光束被聚焦后在大气湍流中的传输特性,得到了焦平面上光强解析表达式.利用该表达式,详细研究了该类光束在大气湍流中传输焦平面上的光强分布特性.结果表明：在大气湍流中,随着传输距离的增加,涡旋光束的奇异性逐渐降低.对于拓扑荷大的以及空间相干长度较长的涡旋光束,光束奇异性的保持相对要好.在一定的焦距长度和湍流大气条件下,我们可以通过调整光源的拓扑荷和相干长度控制焦面光强分布和焦斑大小.另外,有一定拓扑荷的涡旋光束可以在一定程度上降低大气湍流对传输光束焦面光强分布的影响.     

完美涡旋光束在大气湍流中的斜程传输特性

完美涡旋（POV）光束具有光束半径与拓扑荷数无关的特点,与其他涡旋光束相比具有更加稳定的空间强度分布特性。利用多相位屏法和傅里叶变换法,分析了POV光束在大气湍流中的斜程传输特性。采用光束漂移和孔径平均闪烁指数作为大气湍流影响光束质量的评价参数,对比了POV光束与高斯涡旋光束在相同传输条件下的光束质量。结果表明：相比于高斯涡旋光束,POV光束的光束稳定性更好。当拓扑荷数增大或天顶角减小时,POV光束抵抗大气湍流的能力增强。在不改变POV光束拓扑荷数的前提下增大其光束半径,也能提高POV光束对大气湍流的抵抗能力。     

平顶光束通过湍流大气传输的光谱特性

采用Rytov相位结构函数二次近似的方法,推导出了平顶光束在湍流大气中的光谱传输方程,详细研究了其光谱特性,并给出了合理的物理解释。研究表明,轴上点光谱为蓝移,随着离轴距离的增大,光谱由蓝移逐渐变为红移,轴外点存在多阶光谱跃变现象。随着湍流的增强,光谱位移量和光谱跃变量减小、光谱跃变现象消失。特别分析了平顶光束与高斯谢尔模型(GSM)光束通过湍流大气传输的光谱跃变之间存在的差异。     

特殊函数在湍流大气传输光束漂移中的应用

研究特殊函数在激光湍流大气传输光束漂移效应中的应用,为提高跟瞄系统的瞄准精度提供理论依据。基于特殊函数和修正Von Karman谱,对斜程湍流大气传输光束漂移方差表达式进行了数值仿真。数值模拟表明,特殊函数高次项的近似舍去对激光湍流大气传输光束指向精度影响甚微。在外尺度较小时,光束漂移方差变化较快;随着外尺度的增加,光束漂移增加缓慢且趋于饱和。在相同的外尺度下,发射孔径（初始光束束径）与发射天顶角的增大对光束漂移具有抑制作用,且天顶角接近π/2,光束漂移角方差快速减小。     

贝塞尔高斯涡旋光束在大气湍流中的传输特性

为了探测更高轨道的空间目标,研制了一台通光口径为Ф750 mm的望远镜.该望远镜为主焦点光学系统,由一片二次非球面反射元件和四片透射元件组成,具有大视场(4°),大相对孔径(1∶1.32)和宽光谱(500~800 nm)的特点.本文以该望远镜的研制为基础,介绍了其光学系统各个元件的单独检测和系统装调完成后的整体检测方法和过程.采用样板法对系统中的球面透射元件进行了单独检测,采用透射无像差补偿器法对二次非球面反射镜进行了单独检测,采用反射无像差补偿器法对组合起来的透射校正镜组进行了检测,并且对系统装调对准之后的光学系统进行室内平行光管和室外对星观测两种方法进行检测.测量结果均满足设计要求,其中球面透镜的面形误差小于0.1个光圈,反射元件和透射元件非球面表面的面形误差均优于λ/30(λ=632.8 nm),透射校正镜组的波像差优于λ/30(λ=632.8nm).光学系统整体检测结果表明,室内和室外检测结果一致,其像面的80% 能量集中度直径在4°的全视场范围内均小于2个像元,达到了设计的成像要求.     

Spatial correlation properties of apertured partially coherent radially polarized beams in turbulent atmosphere

Based on the extended Huygens–Fresnel integral, the analytical formulae for the cross-spectral density matrix of the partially coherent radially polarized beams diffracted at a circular aperture in turbulent atmosphere are derived. The unapertured and free-space cases can be viewed as the special cases of our general result. By using the degree of coherence formula, the spatial correlation properties of the apertured partially coherent radially polarized beams in turbulent atmosphere are studied. The analyses indicate that the spatial correlation of the apertured partially coherent radially polarized beams are more affected by the atmospheric turbulence with the larger structure constant, the smaller truncation parameter, the larger coherence length, and the farther propagation distance.     

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.     

Propagation factor of electromagnetic concentric rings Schell-model beams in non-Kolmogorov turbulence

We derive an analytical expression for the propagation factor(known as M2-factor) of electromagnetic concentric rings Schell-model(EM CRSM) beams in non-Kolmogorov turbulence by utilizing the extended Huygens–Fresnel diffraction integral formula and the second-order moments of the Wigner distribution function(WDF). Our results show that the EM CRSM beam has advantage over the scalar CRSM beam for reducing the turbulence-induced degradation under suitable conditions. The EM CRSM beam with multi-rings far-fields in free space is less affected by the turbulence than the one with dark-hollow far-fields or the electromagnetic Gaussian Schell-model(EGSM) beam. The dependence of the M2-factor on the beam parameters and the turbulence are investigated in detail.     

带初相位分布的径向基模激光束列阵在湍流大气中的传输特性研究

利用相干叠加原理和广义Huygens-Fresnel 衍射积分公式,理论上研究了具有确定初始相位排列的激光束列阵通过大气湍流的传播特性.发现在近距离的传输过程中,列阵光束的光强分布会出现螺旋状分布（即光学涡旋）.但由于大气湍流的影响,光束列阵远场涡旋特性随着传输距离的增加逐渐消失,成为无旋涡的实心光束;且当大气湍流变弱时,旋涡特性的有效传输距离逐渐变长. 关键词： 大气湍流 涡旋     

湍流大气中的准直激光束III.分形结构与相位不连续点饶瑞中

利用数值方法研究了不同起伏条件下准直激光束在湍流大气中的传播,分析了光斑的分形维数以及相位不连续点数目的统计特征。结果表明：随着起伏条件的增大,光斑的分形维数以及相位不连续点数目增大;光斑的分形维数与锐度（描述光斑质量的参量）有一定的关系,但相位不连续点数目与光斑质量不存在确定的关系。在本文的计算条件下,分形维数一直随起伏条件的增大而增大,没有出现类似于闪烁饱和的现象。在一定的起伏条件下,相位不连续点数目具有一定的统计分布,而不是一个确定的值,并且具有相当的发散性。     

激光在湍流大气中的干涉仿真

通过研究激光在湍流大气中的传输情况，旨在为光学高分辨率干涉成像提供理论依据。采用相位屏的近似处理方法对激光通过大气湍流传输进行模拟，研究激光通过湍流大气的干涉情况。试验结果表明：孔径间距越大，干涉条纹越密；在传输距离为2km，大气湍流折射率结构常数C2n为10-14，即接近强湍流的情况下，可以形成比较好的干涉条纹。孔径间距较小时，干涉的明暗条纹清晰可见。在实际干涉成像中，可以选择适当的孔径间距来获得较好的干涉条纹，从而获得目标的高分辨率像。     

Propagation of Gauss--Bessel beams in turbulent atmosphere

This paper studies the propagation properties of Gauss--Bessel beams in a turbulent atmosphere. Based on the extended Huygens--Fresnel principle, it derives the intensity distribution expression for such beams propagating in a turbulent atmosphere. Then the influence of turbulence and source beam parameters on the beam propagation is studied in great detail. It finds that the intensity distribution of Gauss--Bessel beams will change into Gaussian profile in a turbulent atmosphere, and that stronger turbulence and smaller topological charges will lead to a faster changing.     

拉盖尔-高斯光束在湍流大气中的螺旋谱特性

研究了拉盖尔-高斯光束在湍流大气中的传输特性.在利托夫近似下,得到接收孔径处光束的螺旋谱的积分表达式.通过数值仿真得出大气湍流对光束螺旋谱的影响以及光束螺旋谱随各参数值的变化特性.仿真发现大气湍流会使螺旋谱发生弥散.而且随着拓扑荷,接收孔径半径,折射率结构函数及距离的增加,螺旋谱弥散加剧.经拟合得到描述螺旋谱弥散程度的无量纲方差V随距离成6次函数关系;与接收孔径半径及折射率结构函数成二项式关系;而与拓扑荷呈11次多项式关系.最后得出径向指数,束腰半径对螺旋谱的影响非常小,并且根据此结论推出光 关键词： 拉盖尔-高斯光束 大气湍流 螺旋谱 无量纲方差     

湍流大气中的准直激光束III.分形结构与相位不连续点饶瑞中

 利用数值方法研究了不同起伏条件下准直激光束在湍流大气中的传播，分析了光斑的分形维数以及相位不连续点数目的统计特征。结果表明：随着起伏条件的增大，光斑的分形维数以及相位不连续点数目增大；光斑的分形维数与锐度（描述光斑质量的参量）有一定的关系，但相位不连续点数目与光斑质量不存在确定的关系。在本文的计算条件下，分形维数一直随起伏条件的增大而增大，没有出现类似于闪烁饱和的现象。在一定的起伏条件下，相位不连续点数目具有一定的统计分布，而不是一个确定的值，并且具有相当的发散性。