不稳定分层海洋湍流对厄米-高斯光通信系统的影响

推导了不稳定分层海洋湍流下厄米-高斯光束闪烁指数的理论公式,以及考虑海洋湍流和瞄准误差综合影响下UWOC系统信道系数的概率分布函数,进一步推导了系统主要性能参数即误码率、信道容量和中断概率的理论计算公式,并采用高斯-厄米正交积分近似方法求得3个性能参数的闭合表达式,仿真分析了不稳定分层和稳定分层湍流情况下,光束模数、传输距离、海洋湍流参数和瞄准误差对系统的平均误码率、平均信道容量和中断概率的影响。结果表明：相比于稳定分层,不稳定分层的系统计算误差更小;当盐度波动占主导时,系统性能更好;随着均方温度耗散率增大、湍流动能耗散率减小、瞄准误差增大,系统信道容量减小,中断概率增大。本研究结果可为厄米-高斯光在水下光通信领域的应用提供参考。     

汉克-贝塞尔光束在海洋湍流信道中的螺旋相位谱分析

携带轨道角动量的汉克-贝塞尔(Hankel-Bessel,HB)光束具有无衍射和自聚焦特性,用来作为信息传输的载体有望增大信息传输容量.基于Rytov近似理论,推导得到了HB涡旋光束经过海洋水平弱湍流信道后的螺旋相位谱的解析表达式,并利用数值仿真方法研究了海洋湍流参数对轨道角动量模式探测概率的影响.结果表明,海洋湍流导致发射轨道角动量模式的探测概率下降,出现模式串扰和螺旋相位谱扩展.海洋湍流对HB涡旋光束的负面影响随着轨道角动量模式数、传输距离、温度方差耗散率的增加而增强,随湍流动能耗散率的增加而减弱.HB涡旋光束受以盐度波动驱动的海洋湍流的负面影响更大.另外,在弱湍流及几十米传输距离条件下,HB涡旋光束的传输性能要差于最佳束腰大小设置的拉盖尔-高斯涡旋光束.这些结果有望为海洋环境水下光通信链路的实现提供一定的参考价值.     

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。     

湍流对部分相干双曲余弦高斯光束的瑞利区间的影响

推导出了部分相干双曲余弦高斯光束在自由空间和湍流大气中传输瑞利区间的解析公式,并研究了湍流对光束瑞利区间的影响.研究表明,部分相干双曲余弦高斯光束的瑞利区间由湍流强度和光束参数等因数共同确定.湍流使得光束的瑞利区间缩短,并且湍流越强瑞利区间越短.在自由空间中,瑞利区间随光束相干参数 α 、光束参数 β 和高斯束宽 w ₀的增大以及波长 λ 的减小而增大.但是, α,β 和 w ₀越小以及 λ 越大,瑞利区间受湍流的影响越小.并且,当 关键词： 瑞利区间 部分相干双曲余弦高斯光束 大气湍流 自由空间     

部分相干平顶光束在非Kolmogorov湍流中的湍流距离

给出了部分相干平顶光束通过非Kolmogorov湍流传输的湍流距离解析表达式,并研究了非Kolmogorov湍流的湍流广义指数、内尺度、外尺度和光束参数对部分相干平顶光束湍流距离的影响。研究表明:湍流距离随相干参数、束腰、外尺度(当湍流广义指数的取值为3.6~4.0时)的增大而减小;随光束阶数、内尺度的增大而增大;随湍流广义指数先减小后增大,且在湍流广义指数取3.11时存在极小值,即光束扩展的极大值。同时利用湍流广义指数及光束参数,具体比较了湍流距离与瑞利区间的大小,并指出光束参数及湍流广义指数决定了湍流是否在瑞利区间内就能对光束扩展构成明显的影响。     

激光通过非Kolmogorov大气湍流传输光束扩展区间的研究

激光通过大气湍流传输,光束扩展主要由空间衍射和大气湍流两个物理机制确定,而大气湍流对光束扩展的影响又与光束空间衍射特性相关。研究了部分相干厄米-高斯(H-G)光束通过非Kolmogorov大气湍流传输光束扩展区间问题,把光束扩展按传输距离划分为三个区间,造成这三个区间的光束扩展的主要物理机制依次是:空间衍射、空间衍射和大气湍流、大气湍流。详细研究了部分相干H-G光束参数和大气湍流参数对这三个区间范围大小的影响,以及第一个光束扩展区间与光束瑞利区间的关系,并对主要结果给出了合理的物理解释。     

复宗量厄米-高斯光束在大气湍流中的传输特性

采用广义惠更斯-菲涅耳衍射积分方法和Wigner分布函数的二阶矩定义,推导出在直角坐标系下激光光束经大气湍流传输的远场发散角、束宽以及M2因子的解析表达式,并以复宗量厄米-高斯(EHG)光束为例,定量分析了EHG光束在大气湍流中的传输特性。研究表明,光束在大气湍流中传输后的M2因子与入射面上的M2因子、入射面的二阶矩、传输距离、波数以及湍流的影响因子有关;随着在大气湍流中传输距离的增加,EHG光束的远场发散角、束宽和M2因子均会逐渐增大;大气湍流对高阶EHG光束的远场发散角、束宽和M2因子的影响更小;EHG光束在大气湍流中的M2因子与传输距离、湍流的折射率结构参数、光束波长、光束阶数以及基模高斯光束的束腰宽度密切相关。     

激光二极管光束在各向异性非柯氏大气湍流中的传输质量

以厄米-高斯混合模形式描述激光二极管光束的分布,利用光束二阶项矩阵进行计算,研究了光束束宽与光束传输因子之间的关系,并对各向异性大气湍流中广义指数和各向异性系数对光束传输因子的影响进行了分析。结果表明,对于不同的湍流强度,均存在不同的束宽使得光束传输因子最小。此外,大气湍流模型中各向异性系数的增大使得大气湍流对光束传输因子的影响相应减小。通过二维光束质量轨迹图的仿真,证实了各向异性系数对光束传输因子轨迹的影响将随着传输距离的增大变得更加明显。所得结果将有利于大气光传输理论的发展,并对大气光通信、激光雷达探测等应用有着重要意义。     

非Kolmogorov大气湍流对高斯列阵光束扩展的影响

本文推导出了高斯列阵光束在非Kolmogorov大气湍流中传输的瑞利区间zR、湍流距离zT和远场发散角θ的解析表达式,研究了非Kolmogorov湍流的广义指数α和列阵光束的合成方式对高斯列阵光束扩展的影响.研究表明:不论相干还是非相干合成高斯列阵光束,zR,zT和θ均随着α的增加而呈非单调变化.当α=3.108时,zR和zT取极小值,而θ取极大值,即当α=3.108时高斯列阵光束扩展最厉害,光束扩展受湍流影响也最厉害.非相干合成高斯列阵光束扩展比相干合成的要大,但受非Kolmogorov湍流影响却要小.特别值得指出的是:当自由空间光束衍射较小时,有zTzR,即在瑞利区间范围内大气湍流就对光束扩展有影响;而当自由空间光束衍射较大时,有zTzR,即在瑞利区间范围内大气湍流对光束扩展几乎没有影响.     

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     

厄米-高斯光束在非Kolmogorov大气湍流中的传输性质

基于广义惠更斯-菲涅尔原理和非Kolmogorov(非K)谱,推导出了厄米-高斯光束在非K大气湍流中传输的束宽、角扩展以及M2因子的解析表达式.数值计算表明,在传输距离比较远(如z≥3km)时,厄米-高斯光束的束宽、角扩展和M2因子随广义指数参量α的增大而增加直到α=3.11时达到最大值后再随α的增大而减小;随湍流的内尺度l0的减小而增大;随外尺度L0的增加而增大(3.6α4).但是当广义指数参量α在3α3.6区间取值时,束宽和M2因子几乎不随外尺度的增加而变化.     

大气湍流中光束束宽扩展和角扩展的比较研究

以厄米-双曲余弦-高斯（H-ChG）光束为例,对H-ChG光束通过大气湍流传输时的束宽扩展和角扩展做了详细研究.用相对束宽和相对角扩展代替束宽和角扩展来研究湍流对光束影响的灵敏程度.研究表明,折射率结构常数C²_n越小,光束束宽扩展和角扩展越小.有较大阶数m,n,较小参数Ω₀和束腰宽度w₀ H-ChG光束的角扩展受湍流影响较小.当传输距离足够远时,这一结论对H-ChG光束的束宽扩展也成立.当传输距离不长时,对H-ChG光束相对束宽随Ω₀和w₀的变化规律做了分析.用数值计算例做了说明,并对结果的正确性做了物理解释.厄米-高斯,双曲余弦高斯和高斯光束在大气湍流中的扩展可作为H-ChG光束的特例来处理. 关键词： 束宽扩展和角扩展 大气湍流 厄米-双曲余弦-高斯光束     

啁啾脉冲高斯光束在大气湍流中的传输特性北大核心CSCD

基于广义惠更斯-菲涅耳原理,推导出啁啾脉冲高斯光束在湍流大气中传输的光谱解析表达式,并对解析表达式进行了数值仿真。结果表明:啁啾参数越大,光源谱宽越宽;当光源相对谱宽大于0.336时,轴上点光谱产生蓝移;湍流使得轴上点光谱的相对频移量减小,相对频移量随源光谱宽的增大而非线性增大;增大光束束腰半径可减小湍流对光谱频移、光束展宽的影响。     

湍流大气中厄米-高斯光束M2因子的变化

 基于广义惠更斯-菲涅耳原理和Wigner分布函数二阶矩的定义,推导出直角坐标系下大气湍流中部分相干光的M²因子传输公式。以厄米-高斯（H-G）光束为例,给出了H-G光束通过大气湍流传输后M²因子的解析表达式,并采用Tatarskii谱,详细讨论了M²因子的主要影响因素。结果表明,M2因子主要由光束的束腰宽度、波长、光束阶数、大气湍流的折射率起伏结构常数和在湍流中传输距离决定。随着光束阶数、折射率起伏结构常数及传输距离的增大,M²因子明显增大,光束阶数越高,湍流对M²因子变化的影响越小。对于给定的传输距离,存在最佳初始束宽,使M2因子最小。     

多厄米-高斯子波束的传输特性研究

基于拉盖尔-高斯模和厄米-高斯模之间相互转换的关系,将拉盖尔-高斯涡旋光束展开成多厄米-高斯子波束,给出了模式转换关系的强度分布图。采用惠更斯-菲涅尔原理,推导了非傍轴条件下多厄米-高斯子波束在真空中传输时接收面处的场分布表达式。采用数值分析方法对真空传输过程中不同传输距离和拓扑荷下的多厄米高斯子波束的强度和相位分布进行了分析。结果表明:在短距离传输范围内,多厄米-高斯子波束在主扇位区域具有高光强能量集中,可以用于精确的光学操控。随着传输距离的增大,子波束场的等相位线由直线变为平滑的弧线。在远距离传输时,非傍轴近似多厄米-高斯子波束的相位变化远远小于傍轴近似拉盖尔-高斯光束的相位分布。由此可见,非傍轴近似条件下多厄米-高斯子波束更适合远距离传输。所研究的结果可为高拓扑荷、宽发散角拉盖尔-高斯涡旋光束的传输提供理论基础。     

相位屏法模拟高斯阵列光束海洋湍流传输特性

基于功率谱反演法产生海洋湍流相位屏,对多次传输过程进行统计平均,仿真分析不同海洋湍流参量下不同高斯阵列光束(矩形分布、径向分布及单束)长曝光光斑半径、光斑质心漂移特性及光强闪烁特性。结果表明:光束长曝光光斑半径、光斑质心漂移标准差及轴上闪烁系数均随湍流效应(湍流强度或传输距离)的增强而增大;同时,阵列光束与单束高斯光的光斑半径趋于一致,当传输距离继续增大时,单束高斯光束长曝光光斑半径略大。相对于单束高斯光,阵列光束在相同湍流条件下具有更小的漂移标准差,但轴上闪烁系数较大。相对于大气湍流而言,海洋湍流具有较强的闪烁效应。     

非Kolmogorov大气湍流对径向部分相干阵列光束瑞利区间和湍流距离的影响

基于广义的Huygens-Fresnel原理和非Kolmogorov谱模型,推导了无线光通信系统中径向分布部分相干高斯-谢尔模型阵列光束在非Kolmogorov大气湍流中传输时瑞利区间z_R和湍流距离z_T的解析表达式,对瑞利区间和湍流距离随湍流参量和光束参量的变化情况进行了数值分析.结果表明:不论是相干还是非相干合成,径向分布部分相干高斯-谢尔模型阵列光束的z_R和z_T均随湍流广义指数α的增大非单调变化,当α=3.11时,z_R和z_T取最小值,此时阵列光束扩展最大;相干合成比非相干合成的光束扩展要小,但其受湍流的影响更大;对于相干合成而言,径向分布半径r0越大,合成光束的z_R和z_T就越大,而非相干合成的z_R和z_T不受r0的影响;不论是相干还是非相干合成,阵列子光束数目对合成光束的z_R和z_T没有影响;当光束相干参量β足够小或波长λ足够大时,大气湍流对阵列光束z_R的影响可以忽略.     

一种新型光学模式转换器

提出了一种梯度折射率分布介质为基质的单体光学模式转换器,可以将两正交截面内瑞利长度相同、光腰重合的厄米-高斯光束转换为拉盖尔-高斯光束.这种转换器具有一体化且只有两个反射面的特点,因此易于调整、光能反射损耗小;对于两正交截面内瑞利长度不同、光腰不重合的厄米-高斯光束,提出了一种可调节其瑞利长度和光腰位置的光腰调节器,将光腰调节器与单体光学模式转换器组合使用,也可以将这种厄米-高斯光束转换为拉盖尔-高斯光束.     

部分相干离轴涡旋光束在大气湍流中的光强分布

根据广义惠更斯-菲涅耳原理以及交叉谱密度函数,利用Kolmogorov湍流谱推导得到部分相干离轴涡旋光束在大气湍流中传输时光束的光强分布表达式,讨论了离轴距离、拓扑荷数、束腰宽度、相干长度、传输距离、湍流强度参数对光强分布的影响。仿真结果表明,拓扑荷数的大小不会改变暗核的位置;离轴距离的正负号决定了暗核移动的方向和光强集中区域的方向;暗核向上移动的距离随相干长度、束腰宽度的增大而减小,随传输距离、湍流强度的增大而增大;光斑展宽随相干长度、束腰宽度、传输距离、湍流强度的增大而增大。     

超短脉冲厄米-高斯光束在湍流大气中的光谱移动和光谱跃变

基于广义惠更斯-菲涅尔原理，推导出了超短脉冲厄米-高斯(H-G)光束在湍流大气中的光谱传输方程，研究了其光谱移动和光谱跃变特性，并给予了合理的物理解释.研究表明，超短脉冲H-G 光束通过湍流大气传输其光谱特性由大气折射率结构常数、厄米多项式阶数、脉冲宽度和观察点位置坐标等因素共同决定.轴上点光谱为蓝移，随着离轴距离的增大，光谱由蓝移变为红移，无光谱移动点的位置坐标与脉冲宽度无关.此外，当湍流增强到一定程度时离轴点还存在光谱跃变现象.自由空间与湍流大气中的光谱跃变行为存在很大的差异，本文对此进行了详细的分析. 关键词： 超短脉冲厄米-高斯(H-G)光束 湍流大气 光谱移动 光谱跃变