湍流對高斯列陣激光束傳輸特性的影響.pdf

1、由于列陣光束在獲得較高激光光束質(zhì)量和較高激光輸出功率上扮演著重要角色，使得列陣光束的產(chǎn)生及其傳輸特性日趨受到人們的關(guān)注。由于實際大氣的不均勻性或各向異性等特征，研究列陣光束通過非Kolmogorov大氣湍流的傳輸特性具有重要的理論和實際應(yīng)用意義。另一方面，隨著水下光通信、成像、傳感和激光雷達(dá)等應(yīng)用的興起，深入研究海洋湍流對激光傳輸特性影響就顯得尤為重要。本論文主要研究內(nèi)容如下:
　　(1)研究了非Kolmogorov大氣湍流對高斯

2、列陣光束擴(kuò)展的影響。推導(dǎo)出相干合成與非相干合成高斯列陣光束在非Kolmogorov大氣湍流傳輸?shù)娜鹄麉^(qū)間zR，湍流距離zT和遠(yuǎn)場發(fā)散角θ的解析表達(dá)式，研究了非Kolmogorov湍流的廣義指數(shù)α和列陣光束的合成方式對高斯列陣光束擴(kuò)展的影響。研究表明:不論相干合成還是非相干合成高斯列陣光束，zR、zT和θ均隨著α的增加而呈非單調(diào)變化。當(dāng)α=3.108時，zR和zT取極小值，而θ取極大值，此時，高斯列陣光束擴(kuò)展最厲害，光束擴(kuò)展受湍流影響也最

3、厲害。非相干合成高斯列陣光束擴(kuò)展比相干合成的要大，但受非Kolmogorov湍流影響卻要小。特別指出的是，當(dāng)自由空間光束衍射較小時，有zT＞zR，即在湍流區(qū)間范圍內(nèi)大氣湍流對光束擴(kuò)展有影響;當(dāng)自由空間光束衍射較大時，有zT＜zR，即在湍流區(qū)間范圍內(nèi)大氣湍流對光束擴(kuò)展幾乎沒有影響。
　　(2)深入研究了列陣光束在非Kolmogorov大氣湍流中傳輸?shù)姆较蛐詥栴}。研究發(fā)現(xiàn):在自由空間中，二階矩束寬隨傳輸距離變化曲線在某個確定的位置zc

4、會有一個交點，并推導(dǎo)其解析表達(dá)式。研究表明:較非相干合成而言，相干合成高斯列陣光束的zc離源平面要遠(yuǎn)。然而，在非Kolmogorov湍流大氣中，將不會出現(xiàn)上述交點，高斯列陣光束的角擴(kuò)展具有相同的方向性。此外，當(dāng)湍流廣義參數(shù)α=3.108，較短的傳輸距離就可獲得同方向性。特別指出，基于先前的研究，光束在湍流中傳輸會存在同方向性，此結(jié)論對本文是不必要的，并給予了物理解釋。另一方面，研究了高斯列陣光束具有相同二階矩柬寬時的歸一化平均光強(qiáng)分布。

5、研究表明:自由空間中的高斯列陣光束在zc處的光強(qiáng)分布不同，而湍流中在取得同方向時的歸一化平均光強(qiáng)分布相同。
　　(3)基于Nikishov等人提出的海洋湍流功率譜，研究了海洋湍流對高斯列陣光束傳輸特性的影響。用參數(shù)束寬w'、瑞利區(qū)間z'R、湍流距離z'T、桶中功率PIB和斯特爾比SR來表征高斯列陣光束在海洋湍流傳輸特性。研究表明:不論是相干合成還是非相干合成，束寬隨湍流功率譜溫度與鹽度的比率τ和溫度方差耗散率xT的增加而增加，隨單