激光大氣傳輸中的相位奇點和光學(xué)渦旋及其演化特性研究.pdf

1、激光在湍流大氣中傳輸時，光波的振幅和相位會發(fā)生隨機起伏，導(dǎo)致接收平面處光場的光強起伏及相位畸變等。在強湍流效應(yīng)條件下，畸變光場中會出現(xiàn)一些光強為零且相位不確定的點，這些點被稱為相位奇點。相位奇點的存在給傳統(tǒng)自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的波前測量和校正帶來很大困難，從而給天文觀測、激光通訊、激光武器等眾多的工程應(yīng)用帶來挑戰(zhàn)。為了提高自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的校正能力，有必要對激光大氣傳輸中的相位奇點演化特性展開研究。
　　中心光強為零且攜帶有相位奇點的渦旋

2、光束因其特有的性質(zhì)受到人們的廣泛關(guān)注。當(dāng)渦旋光束在湍流大氣中傳輸時，傳輸介質(zhì)會引起光強起伏、光束擴展以及光學(xué)渦旋的漂移等。另外，渦旋光束的拓撲荷可以作為信息的載體用于自由空間光通信中。因此，有必要研究渦旋光束在湍流大氣中的光強分布、光束擴展以及光學(xué)渦旋的演化特性等。
　　本論文首先研究了激光在大氣中水平、斜程、上行和下行傳輸時，受湍流擾動的畸變光場中產(chǎn)生的相位奇點的演化特征；然后以拉蓋爾-高斯渦旋光束為例，系統(tǒng)研究了渦旋光束在湍流

3、大氣中傳輸時的光強分布、光束擴展、渦旋光束拓撲荷的確定和光學(xué)渦旋的漂移等傳輸特性；最后簡單探討了無衍射貝塞爾光束在湍流大氣中的束寬擴展和相位奇點數(shù)密度的變化特性。主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下：
　　1.數(shù)值模擬了激光在大氣中傳輸時，受湍流擾動的畸變光場中產(chǎn)生的相位奇點的演化特征。模擬結(jié)果顯示，相位奇點會成對產(chǎn)生；極性相反的相位奇點對會隨著波前向前傳播；相位奇點對的相對位置和間距在傳播過程中會發(fā)生變化；相位奇點也會成對地湮滅。
　　

4、2.數(shù)值模擬了激光在湍流大氣中水平傳輸時產(chǎn)生的相位奇點數(shù)密度與湍流效應(yīng)特征參數(shù)的關(guān)系，這些參數(shù)包括傳輸距離，湍流強度，激光波長、湍流內(nèi)尺度和外尺度等。計算結(jié)果表明，當(dāng)其他傳輸條件一定時，相位奇點數(shù)密度分別隨傳輸距離的增加和湍流強度的增強而增加，隨湍流內(nèi)尺度和激光波長的增加而降低；而相位奇點數(shù)密度基本不受湍流外尺度的影響。
　　3.數(shù)值模擬了激光在湍流大氣中水平傳輸時兩種傳輸條件下的相位奇點數(shù)密度的變化過程。一種是湍流較弱但傳輸距離

5、很長；另一種是傳輸距離較短但湍流很強，這兩種情況下均能產(chǎn)生強湍流效應(yīng)。結(jié)果表明，湍流強度對相位奇點數(shù)密度的影響要大于傳輸距離對相位奇點數(shù)密度的影響；不同傳輸條件下產(chǎn)生的相位奇點數(shù)密度隨Rytov指數(shù)的變化過程有所不同，但它們之間的關(guān)系比較符合Logistic統(tǒng)計公式。
　　4.模擬了激光在湍流大氣中自地面向空中垂直上行傳輸時畸變光場中出現(xiàn)的相位奇點數(shù)密度隨傳輸高度的變化過程。在傳輸高度一定的情況下，主要模擬了兩種激光傳輸過程：一種

6、是固定發(fā)射激光的波長，變化傳輸路徑中的湍流強度；另一種是固定傳輸路徑中的湍流強度，變化發(fā)射激光的波長。結(jié)果表明，相位奇點數(shù)密度隨傳輸高度的增加其變化過程可以分成四個不同的區(qū)域；當(dāng)發(fā)射激光的波長一定時，近地面處的湍流強度不同對應(yīng)的相位奇點數(shù)密度達到峰值時的傳輸高度也是不同的，湍流越強，相位奇點數(shù)密度的峰值越高，其對應(yīng)的傳輸高度卻越低；當(dāng)湍流強度的分布一定時，畸變光場中的相位奇點數(shù)密度達到峰值時對應(yīng)的傳輸高度基本不受激光波長的影響。另外，通

7、過對模擬結(jié)果的曲線擬合發(fā)現(xiàn)，不同條件下的相位奇點數(shù)密度隨傳輸高度的變化關(guān)系非常類似于黑體輻射公式。
　　5.模擬了激光在湍流大氣中自地面向空中斜程傳輸時，相位奇點數(shù)密度的變化特征。結(jié)果表明，斜程傳輸時的相位奇點數(shù)密度隨傳輸距離的變化過程非常類似于上行傳輸時相位奇點數(shù)密度隨傳輸高度的變化過程；固定近地面處的湍流強度，當(dāng)傳輸距離一定時，光束的發(fā)射天頂角越大，畸變光場中出現(xiàn)的相位奇點數(shù)密度越大且相位奇點數(shù)密度達到極大值時對應(yīng)的傳輸距離越

8、長；當(dāng)發(fā)射天頂角和傳輸距離一定時，近地面處的湍流強度越強，畸變光場中產(chǎn)生的相位奇點數(shù)密度越大。
　　6.模擬了激光在湍流大氣中自空中某一高度垂直下行傳輸至地面時，畸變光場中產(chǎn)生的相位奇點數(shù)密度的變化特征。結(jié)果表明，光源位置距離地面越高，在較高位置處的畸變光場中就會有相位奇點產(chǎn)生，且到達地平面處時的畸變光場中產(chǎn)生的相位奇點數(shù)密度越大；相位奇點數(shù)密度隨高度的降低而單調(diào)增加且在接近地平面處達到最大值。
　　7.以拉蓋爾—高斯（LG

9、）光束為例，模擬了渦旋光束在湍流大氣中傳輸時在垂直于傳輸方向的平面內(nèi)的光強分布。結(jié)果表明：當(dāng)渦旋光束在湍流大氣中傳輸時，光強由最初的中空光束演變?yōu)槠巾敼馐?，并最終在遠場演變?yōu)楦咚构馐?。光強廓線的演變過程以及相位奇異性的消失與傳輸距離、湍流強弱、湍流外尺度、渦旋光束拓撲荷數(shù)、光束的束腰寬度以及光束的波長有關(guān)，而與湍流的內(nèi)尺度無關(guān)。對于同一渦旋光束，傳輸距離越遠、湍流越強以及湍流外尺度越大，光強分布受到的影響越大。對于不同的渦旋光束，拓撲荷

10、數(shù)越高、束腰越窄以及波長越長，光強分布受到的影響越小，在湍流大氣中越易于保持其原有的光強和相位分布特性。
　　8.數(shù)值模擬了大氣湍流對渦旋光束束寬擴展的影響。結(jié)果表明：傳輸距離越長或湍流越強，渦旋光束在湍流大氣中傳輸時的束寬擴展受湍流的影響越大；渦旋光束的拓撲荷數(shù)越高、光束的束腰越小或光波的波長越長，束寬擴展受大氣湍流的影響反而越小；隨著湍流內(nèi)尺度的減小或湍流外尺度的增加，大氣湍流對光束擴展的影響會有所增加，但影響幅度相對較小。另

11、外，還比較了渦旋光束和普通高斯光束因湍流引起的光束擴展的差異。結(jié)果表明大氣湍流對普通高斯光束束寬擴展的影響要大于對渦旋光束束寬擴展的影響。
　　9.通過數(shù)值分析接收面內(nèi)相位奇點拓撲荷的代數(shù)和（簡稱為AS-PS），得出AS-PS近似等于入射渦旋光束拓撲荷的結(jié)論。提出了一種在湍流大氣中確定渦旋光束拓撲荷的方法——相位奇點代數(shù)和法。該方法可以有效的消除湍流的影響并減小確定拓撲荷的誤差。研究了傳輸參量、光束參量以及探測系統(tǒng)的口徑等對確定A

12、S-PS的影響。結(jié)果表明：渦旋光束在湍流大氣中的傳輸距離越短、湍流強度越弱、入射渦旋光束的拓撲荷越低，利用該方法確定渦旋光束拓撲荷的標(biāo)準偏差越??；合理選擇渦旋光束的束腰也會增加該方法的準確性；探測口徑近似等于渦旋光束傳輸至探測面上的主光斑尺寸時，相位奇點代數(shù)和與入射渦旋光束拓撲荷的相對誤差最小，該結(jié)論可以給探測器口徑的定量設(shè)計提供一定的參考依據(jù)。
　　10.通過模擬光學(xué)渦旋在接收面的不同位置出現(xiàn)的頻次研究了湍流大氣中光學(xué)渦旋的漂移

13、特性。由模擬結(jié)果可知，光學(xué)渦旋在接收面的不同位置出現(xiàn)的頻次或概率滿足高斯分布。隨著傳輸距離的增加、湍流的增強或入射渦旋光束拓撲荷的增加，光學(xué)渦旋位置的統(tǒng)計特性不再滿足高斯分布。另外，適當(dāng)選擇入射渦旋光束的束腰會減小光學(xué)渦旋的漂移。以上這些結(jié)論可以為渦旋光束在自由空間光通訊中的應(yīng)用提供一定的參考依據(jù)。
　　11.初步探討了貝塞爾光束在湍流大氣中傳輸時引起的束寬擴展和相位奇點數(shù)密度的變化特性。結(jié)果表明，與零階貝塞爾光束和零階貝塞爾—高