多色部分相干偏心光束和球差光束在大气湍流中的传输特性

摘要

研究激光在大气湍流中的传输特性对光通信、遥感、监测等实际应用具有十分重要的意义。实验结果表明高层大气中存在与通常的Kolmogorov湍流结构不同的non-Kolmogorov湍流。非稳腔产生的激光一般是偏心的，激光的多色性在某些应用中具有一定的优势。因此，研究多色部分相干偏心光束在non-Kolmogorov湍流中的传输特性和光束扩展具有非常重要的意义。另一方面，激光束通过非理想光学系统或强激光作用在光学元件上时存在球差。所以，研究球差光束在湍流中的能量集中度和光强闪烁非常有价值。本论文的主要研究工作有:
　　1、研究了多色部分相干偏心光束在non-Kolmogorov湍流中的传输特性。根据广义Huygens-Fresnel原理，推导出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，研究了偏心参数ε、湍流广义指数α、源光谱带宽Ω对光束在湍流中的总光强、轴上光谱、相干度的影响。研究表明，ε越大，光束重心偏离传输轴越远，相干度的不对称性越明显。但ε对轴上光谱几乎没有影响。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。特别地，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。
　　2、研究了多色部分相干偏心光束在non-Kolmogorov湍流中的光束扩展。研究了偏心参数ε、湍流广义指数α、源光谱带宽Ω对光束在湍流中的二阶矩束宽、远场发散角、瑞利长度ZR和湍流距离ZT的影响。研究表明，多色光束比单色光束受湍流影响小，偏心光束比中心光束受湍流影响小。ε越大，Ω越大，光束在自由空间中的扩展越大，光束受湍流的影响越小。在湍流中，不同偏心参数ε的光束有相同的方向性，然而在自由空间中却没有。当α=3.1时，湍流对光束扩展的影响最大。另外，还研究了ZT随ε和Ω的变化，得到了一些有意义的结果。
　　3、研究了大气湍流对球差高斯光束能量集中度的影响。基于数值模拟方法，研究了正、负球差对高斯光束在大气湍流中传输的光强、二阶矩束宽w、桶中功率（PIB）、β参数、能量Strehl比（SRE）的影响。研究表明，湍流导致光束扩展，并且湍流使得球差对光束扩展的影响减小。正球差光束比负球差光束受湍流影响小，湍流使负球差光束的聚焦位置靠近源平面。特别地，负球差越大，给定份额光束能量（PIB=63％）的集中度受湍流的影响越大。但是，当负球差取某一特定值时，给定“桶”半径（W free）内光束能量集中度受湍流的影响最大。
　　4、研究了球差高斯光束在大气湍流的光强闪烁。用数值模拟方法分别研究了正球差光束、负球差光束、无球差光束在强、中、弱湍流中轴上点的光强闪烁指数σ1ISp+、σ2ISp-、σ2IGs的变化。研究表明，σ2ISp+与σ2ISp-的变化规律大不相同。在弱湍流中，正球差使σ2ISp+减小，负球差使σ2ISp-增大。特别地，由于负球差会导致光强呈空心分布，使σ2ISp-在某些传输距离处会出现峰值。在中、强湍流中，负球差光束的光强中空被填充，使得σ2ISp-的峰值消失。在中、弱湍流中，传输较近时都有σ2ISp-＞σ2ISp+，然而，在中度湍流中，传输足够远时，由于自补偿效应使得σ2Isp-＜σ2ISp+。在强湍流中，光强闪烁达到饱和，σ2ISp+、σ2Isp-、σ2IGs的差别很小。

目录

声明

摘要

第一章 引言

1．1 研究背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．3 研究内容及各章节安排

第二章 基础理论

2．1 大气湍流

2．1．1 大气湍流概述

2．1．2 大气湍流折射率起伏功率谱函数

2．2 激光在大气湍流中传输的主要研究方法

2．2．1 实验方法

2．2．2 解析方法

2．2．3 数值模拟方法

2．3 光束质量的评价参数

2．4 光束的理论模型

2．4．1 多色部分相干偏心光束

2．4．2 球差光束

第三章 多色部分相干偏心光束在non-Kolmogorov湍流中的传输特性

3．1 总光强

3．1．1 理论公式

3．1．2 数值计算结果及分析

3．2 传输轴上谱强度

3．2．1 理论公式

3．2．2 数值计算结果及分析

3．3 相干度

3．3．1 理论公式

3．3．2 数值计算结果及分析

3．4 结论

第四章 多色部分相干偏心光束在non-Kolmogorov湍流中的光束扩展

4．1 二阶矩束宽

4．1．1 理论公式

4．1．2 数值计算结果及分析

4．2 远场发散角

4．2．1 理论公式

4．2．2 数值计算结果及分析

4．3 瑞利长度

4．3．1 理论公式

4．3．2 数值计算结果及分析

4．4 湍流距离

4．4．1 理论公式

4．4．2 数值计算结果及分析

4．5 结论

第五章 大气湍流对球差高斯光束能量集中度的影响

5．1 理论模型与数值模拟方法

5．2 数值计算结果与分析

5．2．1 光强

5．2．2 二阶矩束宽

5．2．3 桶中功率(PIB)

5．2．4 β参数

5．2．5 能量Strehl比(SRE)

5．3 结论

第六章 球差高斯光束在大气湍流中的光强闪烁

6．1 光强闪烁理论公式

6．2 数值计算结果与分析

6．2．1 弱湍流中的光强闪烁

6．2．2 中强湍流中的光强闪烁

6．3 结论

第七章 总结

7．1 主要结论

7．2 主要创新点

参考文献

附录

致谢

在校期间的科研成果