復(fù)雜激光束在湍流大氣傳輸性質(zhì)研究.pdf

1、激光在湍流大氣傳輸過(guò)程中，湍流大氣會(huì)影響光的傳播特性。大氣湍流會(huì)引起光束發(fā)散、光強(qiáng)閃爍、光束漂移等負(fù)面效應(yīng)。研究表明和基模高斯光束相比，特種激光束或部分相干激光束(統(tǒng)稱復(fù)雜激光束)可以有效的降低湍流效應(yīng)的影響。因此研究復(fù)雜激光束在湍流大氣中的傳輸對(duì)于激光遙感、激光探測(cè)以及遠(yuǎn)距離光通訊等方面有著重要的意義和價(jià)值。本論文主要研究各種復(fù)雜激光束在湍流大氣中的光學(xué)統(tǒng)計(jì)性質(zhì)，如光束發(fā)散、二階矩、光束質(zhì)量因子、曲率半徑、瑞利距離、光強(qiáng)閃爍，通過(guò)尋找

2、合適的光束參數(shù)降低湍流大氣的負(fù)面影響，為復(fù)雜激光束的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
　　本論文主要研究?jī)?nèi)容如下：
　　(1)基于源場(chǎng)求偏導(dǎo)的方法、拓展惠更斯-菲涅耳原理和維格納分布函數(shù)，得到了部分相干平頂光束陣列在湍流大氣和自由空間的傳輸因子解析表達(dá)式，根據(jù)解析表達(dá)式，對(duì)比研究了部分相干高斯光束（即高斯-謝爾模光束）、部分相干平頂光束、部分相干圓對(duì)稱光束陣列和部分相干平頂光束陣列的傳輸因子，研究發(fā)現(xiàn)，在選擇合適的光束參數(shù)的情況下，部分相干平

3、頂光束陣列受湍流大氣的影響比其他類光束受湍流大氣的影響小。基于振幅對(duì)數(shù)關(guān)聯(lián)函數(shù)結(jié)合惠更斯-菲涅耳原理分析完全相干平頂光束陣列在湍流大氣傳輸時(shí)的光強(qiáng)閃爍，研究發(fā)現(xiàn)，平頂光束陣列在弱湍流大氣傳輸時(shí)，其軸上或離開傳輸軸距離很小的軸外光強(qiáng)閃爍在遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)，比高斯光束、平頂光束和光束陣列的光強(qiáng)閃爍小。研究表明通過(guò)控制平頂光束的光束參數(shù)可以有效的降低湍流的負(fù)面影響。
　　(2)基于光強(qiáng)方差的統(tǒng)計(jì)平均結(jié)合張量方法、光源的四階關(guān)聯(lián)函數(shù)和湍流大氣

4、中介質(zhì)的四階關(guān)聯(lián)函數(shù)分析空心光束和多高斯-謝爾模光束在湍流大氣傳輸時(shí)的光強(qiáng)閃爍。研究表明，在湍流大氣中遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)，部分相干空心光束受到湍流大氣的影響比部分相干平頂光束和高斯-謝爾模光束小，這種優(yōu)勢(shì)在橫向相干長(zhǎng)度減小或湍流增強(qiáng)時(shí)特別明顯；對(duì)多高斯-謝爾模光束，指數(shù)M和波長(zhǎng)越大，橫向相干長(zhǎng)度和大氣結(jié)構(gòu)常數(shù)越小，其在湍流大氣傳輸時(shí)的軸上和離軸光強(qiáng)閃爍受湍流的影響越小，在相同條件下高斯-謝爾模光束的光強(qiáng)閃爍受湍流大氣的影響最大。研究表明通過(guò)控

5、制光束的相干特性可以有效的降低湍流的負(fù)面影響。
　　(3)基于拓展惠更斯-菲涅耳原理和維格納分布函數(shù)分析了貝塞爾關(guān)聯(lián)光束在湍流大氣傳輸時(shí)的二階矩，光束擴(kuò)展和遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角，根據(jù)二階矩特性研究了貝塞爾關(guān)聯(lián)光束在湍流大氣中的傳輸質(zhì)量，光束的有效曲率半徑和瑞利距離。研究表明，貝塞爾關(guān)聯(lián)光束在湍流大氣傳輸過(guò)程中，其光束質(zhì)量、有效曲率半徑和瑞利距離受到橫向相干長(zhǎng)度、湍流強(qiáng)弱、湍流內(nèi)尺度和光束波長(zhǎng)的影響明顯。此外，研究表明，和完全相干光束相比，貝