激光光束在大气中的传输机理研究
激光大气传输光波相位不连续性问题研究进展
激光大气传输光波相位不连续性问题研究进展葛筱璐;冯晓星;范承玉【摘要】With laser beam propagating over a long distance through even weak atmospheric turbulence, significant turbulence effect might happen so that a continuous phase function does not exist in general owing to the presence of branch points in phase. Branch points could induce degradation of the performance of a standard adaptive optics system when it is used to compensate atmospheric turbulence. The generation and development, the optical properties and topological characteristics of branch point* in the atmosphere were introduced. The study of phase discontinuity of laser propagation through atmosphere was reviewed so as to provide a reference for further study of laser propagation through atmosphere and adaptive optics system.%激光在大气中长距离传输时,即使湍流很弱也会产生强湍流效应.在强湍流效应中,一个重要的问题就是光波的相位不再是连续的,相位不连续性问题会引起现有的自适应光学校正能力的降低.介绍了相位不连续点产生的机理和基本性质,阐述了激光大气传输相位不连续性问题近年来的研究进展,为激光大气传输及自适应光学校正技术研究工作的更好开展提供了参考.【期刊名称】《激光技术》【年(卷),期】2012(036)004【总页数】5页(P485-489)【关键词】大气与海洋光学;自适应光学;不连续相位;激光传输;大气湍流【作者】葛筱璐;冯晓星;范承玉【作者单位】山东理工大学理学院,淄博255049;中国科学院安徽光学精密机械研究所大气成分与光学重点实验室,合肥230031;中国科学院安徽光学精密机械研究所大气成分与光学重点实验室,合肥230031【正文语种】中文【中图分类】TN929.12;P425.2激光在湍流大气中传输时，湍流将对它产生各种效应，如光强闪烁、相位畸变、光斑扩展和漂移等，这些效应均会导致激光光束质量的严重退化，从而对跟踪、测距、光学成像、激光通讯以及激光武器等众多的激光工程应用产生不利的影响。
激光在湍流大气中传输的闪烁系数及其测量
激 光 在 湍 流 大 气 中传 输 的 闪烁 系数 及 其 测 量
王佳斌， 刘永欣 ， 蒲继雄
（ 侨 大 学 信 息 科 学 与 工 程 学 院 ， 建 泉 州 ３ ２２ ） 华 福 ６０ １
摘
要 ： 理 论 研 究 了 激 光 光 束 经 过 湍 流 大 气 后 闪 烁 系 数 的变 化 规 律 ， ＡＲ 以 Ｍ７的 嵌 入 式 系 统 构 建 数 据
采集 模 块 ， 采 集 激 光 光 强 因 为 大 气 湍 流 影 响 而 变 化 的数 据 的 基 础 上 对 存 储 的 数 据 使 用 闪 烁 系 数 数 学 模 型 进 在 行运 算 ， 算 结 果 通 过 网 络 传 输 ， Ｐ 运 由 Ｃ端 的界 面 显 示 变 化 曲 线 ， 而 了 构 造 一 个 可 以 感 测 大 气 湍 流 的 远 程 探 从 测 系 统 。 用 转 动 的 相 位 板 模 拟 湍 流大 气 ， 用 所 开 发 的测 试 系 统 测 量 激 光 光 束 通 过 湍 流 大 气 后 的 闪 烁 系 数 。 利 实验 结 果 显 示 高 斯 光 束 在 湍 流大 气 中 的 闪 烁 系 数 随 传 输 距 离 的 增 加 而 增 大 ， 理 论 模 拟 结 果 基 本 相 符 。 由 此 与
Ｌ ８ ｆ ０１２。４］Ｃ 詈ｃ （ ） ６ ｏ ［＋＠＋Ａ５Ｏ ａａ ． （ ） ２１Ｓ ｒｎ ４ ／ 『 ｔ ２
式 中 ： 为 Ｒｙｏ ａ ｔｖ方差 ， 表示 平 面波 在 弱湍 流 中 的 闪烁 也 系数 ， ｝一 １ ２ ｃ ｋ邝 ， ． ３ ￣ Ｌ“ 志一 ２ｒＸ 为入 射 波长 ， ， ７ ／ 是为
可 见 该 系 统 工 作 可 靠 稳 定 ， 实 时 测 量 激 光 光 束 经 过 湍 流 大 气 的 闪烁 系数 。 可 关键 词 ： 大 气 光 学 ； 湍 流 大 气 ； 闪 烁 系 数 ； 嵌 入 式 系 统 ； 网络 传 输
激光通信系统的设计原理
激光通信系统的设计原理激光通信是一种利用激光脉冲在空气或光导纤维中传输信息的通信方式。
它应用了激光器、光调制器、光解调器、光纤等一系列关键技术，可以实现高速、远距离、抗干扰等特点，被广泛应用于通信、卫星导航、激光雷达等领域。
下面将详细介绍激光通信系统的设计原理。
激光通信系统由激光发射端和激光接收端两部分组成。
首先介绍激光发射端的设计原理。
激光发射端的主要组成部分是激光器和光调制器。
激光器是产生激光脉冲的核心设备，一般采用半导体激光器或固体激光器。
激光器通过电流激励，产生高纯度、高功率、窄线宽的激光光束。
光调制器则用于对激光光束进行调制，将要传输的信息转化为光脉冲信号。
光调制器一般采用电光调制器或腔共振式调制器。
在激光器和光调制器之间，需要设计适当的光放大器来增强激光光信号的强度。
光放大器一般采用光纤放大器、固体放大器等。
此外，还需要设计光学滤波器来去除杂散光信号，提高系统的信号质量。
激光接收端的设计原理与激光发射端类似，也由光解调器和光接收器两部分组成。
光解调器用于解调接收到的光脉冲信号，将光信号转化为电信号，并恢复原始的信息内容。
常用的光解调器有光电二极管、光电倍增管、光电探测器等。
光接收器用于接收光脉冲信号并转化为电信号，进一步处理和分析。
激光接收端的信号处理环节是非常重要的一步。
首先，需要对电信号进行放大和滤波，提高信号的强度和质量。
接着，进行信号解调和信号重建，将光信号转化为可读取的信息信号。
最后，采用信号处理技术对信号进行干扰抑制和错误校正，提高系统的抗干扰性和可靠性。
在激光通信系统设计中，还需要考虑激光光束的传输损耗问题。
激光光束在大气中传输时会受到散射、吸收和大气湍流等影响，导致传输损耗。
为了减小传输损耗，可以采用大功率激光器和低损耗的光纤进行传输，同时通过气象监测和动态自适应技术来补偿大气影响，提高传输效率和距离。
此外，激光通信系统还需要考虑安全性和隐蔽性问题。
激光通信是一种点对点的通信方式，相较于无线通信可以更好地实现信息的隐蔽传输。
偏振部分相干激光在大气传输中的退偏特性
（ ｅ ａｔ ｎ ｆ Ｏ ｔｅｅ ｔ ｎｃ Ｅ ｇｎ ｅ ｎ ， ｎ Ｔ ｃ ｎ ｌ ｇ ｉｅｓ ｙ Ｘｉａ １ ０ ２ Ｃ ｉａ Ｄ ｐｒ ｍｅ ｔｏ ｐｏ ｌｃ ｏ ｉ ｎ ｉｅ ｒ ｇ Ｘｉａ ｅｈ ｏｏ ｙ Ｕｎｖ ｒｉ ， ７ ０ ３ ， ｈ ｎ ） ｒ ｉ ｔ ｎ
Ｄｅ ０ ａ ｉａ ｉ ｎ ｃ ａ ａ ｔ ｒｓ ｉ ｓ ｏ ｌ ｒｚ ｄ ａ ｄ ｐ ｒ ｉ ｌ ｏ ｒ ｎ ｐ ｌ ｒ ｚ ｔ０ ｈ ｒ ｃ ｅ ｉｔｃ ｆ ｐｏ ａ ｉ ｅ ｎ ａ ｔａ ｌ ｃ ｈｅ ｅ ｔ ｙ ｌ ｓ ｒ ｂ ａ ｒ ｐ ｇ ｔ ｄ ｉ ｕ ｂｕ ｅ ｔ ａ ｍ ｏ ｐｈ ｒ ａ ｅ ｅ ｍ ｐ ｏ ａ ａ ｅ ｎ ｔ ｒ ｌ ｎ ｔ ｓ ｅ ｅ
对偏振 部分相 干激光 偏振度 产 生影 响 ， 对部分 相干 波束偏振度 的 变化 几乎 不产 生任何 影 响。 但
关 键 词 ：偏 振 部 分 相 干 激 光 ； 大 气 湍 流 ； 交 叉 谱 密 度 函 数 ； 退 偏 ； 偏 振 度 中 图 分 类 号 ： Ｎ ４ Ｔ ２９ 文 献 标 志 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１０ — ２ ６ ２ １ ）４ ０ ９ — ５ ０ ７ ２ ７ （０ ２０ — ９４ ０
Ｆ ｒ ｌ．Ａｎ ｌｔ ａ ｘ ｒｓｉｎ ｏ ｏａｉａｉｎ ｄ ｇｅ ｆ ｐ ｌｒ ｅ ｕ ｓａ —ｈ ｌ ｍｏ ｅ （ Ｍ）ｂ ａ ｏｍｕａ ａｙｉ ｌｅ ｐｅ ｓ ｓ ｆｒ ｐ ｌｒ ｔ ｅ ｒｅ ｏ ｏａｉ ｄ Ｇａ ｓｉｎ ｓ ｅｌ ｃ ｏ ｚ ｏ ｚ ｄ ｌ ＧＳ ｅ ｍ
角对 波束 的退 偏 不产 生影 响 ； 波长越 大 ， 波束 在 大 气湍流 中传输 出现退偏 的现 象越迟 缓 ； 始 束腰越 初
高能激光大气传输的仿真实验研究
高 能激 光在大 气 中产生 的热晕 效应 ＿ 。 由于 激光 的发 射 功率 有 限 ， 使 用 的传 输 介 质 的 吸收 系数 较 大 ， 导 】。 。 所 则
致激 光束 能量本 身迅 速衰 减 ， 因此很 难模 拟 实际激 光 大气传 输 的情况 。 本 文在热 晕效应 及相 位补 偿 的仿真 实验 中， 用光 束质 量较 好 的高 能激光 器作 为发 射光 束 的光源 ， 利 以及分 段管 道模 拟大气 参数 （ 括大气 吸 收 、 光系 数 、 均风 速 等 ） 高度 的变 化 ， 得仿 真 系统 中激 光束 能 量 的衰 包 消 平 随 使
本大于 ０４ ． 。然 而 随 着 热 畸 变 效 应 的 进 一 步 加 强 ， 现 相 位 补 偿 不 稳 定 性 现 象 ， 偿 效 果 变 差 。 另 外 ， 自适 出 补 对
应 光 学 系 统 开 闭 环 时 的实 验 结 果 分 别 与 薄 透 镜 近似 分 析 理 论 及 几 何 光 学 近 似 理 论 作 了 比较 。 比 较 结 果 表 明 ：
从而 导致非 线性 热晕 效应 相位 补偿不 稳定 性 。Ｋａｒ 过线 性理 论 已揭示 了其 物理 本质 ］ ｒ通 。
对 于高 能激 光大气 传输 及其 相位 校正 的实 验研究 已有一些 报 道＿ ］如 美 国林 肯实 验 室和 空 军武 器实 验 ３ ，
室 的热 晕定标 实 验 ， 以及 国内有关 聚焦 光束 稳态 热晕 补偿 及小 尺度 热晕 不稳 定性 实验 等 ， 得 了一些 热晕效 应 获
大气对激光的散射
6
考虑最一般情况，一个电荷沿一直线作振幅很小的的上下加速运动，在与 运动轴成 角方位的电场就沿着与 视线垂直的方向，并在包含加速度 与视线的平面内。设距离为 r，那 么在 t 时刻电场的大小为
E（t ) qa(t r / c) sin 4 0c 2 r
（ 12）
其中 a( t-r/c ) 是 ( t-r/c ) 时刻的加速度，叫做推迟 加速度。
d [dPs ( )] I（ （ s ） ）ns P i ( ) dx d
（4）
4
（ 式中，I（ 是散射的辐射强度； 是比例系数，它是散射角 和波长的函数； ） s ） ns 是散射粒子浓度；Pi ( )dx 是入射到厚度为 dx 的元体积上的某一波长激光的 光束功率。将上式改写为
图 1 两类散射模型的强度分布
其实质是大气分子或气溶胶等粒子在入射电磁波的作用下产生电偶极子或多极 子振荡，并以此为中心向四周发出与入射波频率相同的子波，即散射波。散射 波的能量分布同入射波的波长、强度以及粒子的大小、形状和折射率有关。
2
对一波长为 λ 的单色激光光束，在不均匀媒介内传播距离X后，由于纯散 射作用，将使光束沿 x 方向衰减为
图 2 电荷产生的电场
假设电荷按非相对论性的任何方式作加速运动，由此我们计算加速电荷所 辐射的总能量。
q 2 a '2 sin 2 S 0cE 16 2 o c3r 2
2
（ 13）
S 是能流密度，就是在 方向每平方米所辐射的功率。注意到它与距离平方成 反比，要求出向所有方向辐射的总能量，则必须对上式所有方向积分。
13
参考文献： 《激光雷达技术》上册，戴永江 《费曼物理学讲义》第一卷，郑永令等 《大气散射》地理国情监测云平台网站
光纤非相干合成光束在湍流大气中的传输实验研究
统闭环工作时 ， 一 倍 衍 射 极 限 内的 桶 中功 率 占 目标 处 总 功 率 的 比值 是 开 环 工 作 时 的 １ ． ７ 倍 左右 ， 随 着 大 气 湍 流
的强 度 变 弱 ， 此 比值 变 大 。
关键词 ： 光纤激光 ； 非相干合成 ； 大气 湍 流 ； 倾 斜 控 制
为９ ｍｍ 的 单 模 光 纤 光 束 分 别 扩 束 ， 扩 束 后 的光 斑 直 径 为 ９ ０ ｆ ｉ ｌ ｍ。基 于 倾 斜 镜 的合 束 系 统 来 控 制 各 路 光 束 的
指 向， 在不同强度的湍流条件 中， 通 过 主 镜 口径 为 ４ ４ ０ ｍｍ 的 发射 系 统 水 平 聚 焦 传 输 至 ４ ７ ０ ｍ 处 。倾 斜 控制 系
光束 经各 自的准 直系统 扩束 后 光束 质量 不变 ， 在 发射 系统 主镜 上 的光 斑 直 径 Ｒ。为 ９ ０ ｍｍ。基 于倾 斜 镜 的合 成 系统控 制各 路光 束 的倾斜 量 一致 ， 然 后 六路 光 束 同时通 过 光 束 发射 系 统 聚焦 水 平传 输 到 ４ ７ ０ ｍ 的 目标 ， 如 图 ２所示 ， 实 验地 点 为长沙 市郊 区。光束 发射 系 统采用 卡 塞系 统 ， 主 镜直 径 Ｄ 为 ４ ４ ０ ｍｌ Ｔ ｌ 。测 量 聚焦光 斑大小 时， 在 目标处 放置 漫 反射板 ， 通 过 近红外 成像 相机 拍摄 来获 取光 斑大 小 和相对 强度 。通 过在漫 反射屏 上方 放置 信标 灯 ， 可 为大气 相 干长 度仪 提供 光源 以实 时测 量大气 相 干长度 。
＊ 收 稿 日期 ： ２ ０ １ ２ — ０ ５ — ０ ９ ； 修 订 日期 ： ２ ０ １ ２ — １ ０ — １ ２ 基金项 目： 国家 自然 科 学 基 金 项 目 （ ６ １ ０ ７ ７ ０ ７ ６ ） 作者简介 ： 吴武 明（ １ ９ ８ ｌ 一） ， 男， 助理研究员 ， 从事高能激光技术研究 ； ｗｕ ｗｕ ｍｉ ｎ ｇ ＠ｎ ｕ ｄ ｔ ． ｅ ｄ ｕ ． ｃ ｎ 。 通信作者 ： 杨 轶（ １ ９ ７ ９ 一） ， 男， 助理研究员 ， 主要从事高能激光技术研究 ； ｙ ａ ｎ ｇ ｙ ｉ ０ ８ １ ５ ＠ｙ ｅ ａ ｈ ． ｎ ｅ ｔ 。
大气湍流效应对激光传输影响的仿真研究
大气湍流效应对激光传输影响的仿真研究郭惠超;孙华燕;吴健华【摘要】针对大气湍流效应对半导体激光光束远场光束质量的影响进行仿真研究。
首先理论分析泽尼克多项式产生的相位屏及指数高斯光束通过湍流大气传输后的光斑畸变情况；然后利用M atlab软件对相位屏及单束、多束半导体激光光束通过相位屏后的光斑光强分布进行仿真，并采用不均匀度指标对远场光束质量进行评价；最后指出多光束并合方法是抑制大气湍流效应影响的有效方法，对构建激光主动照明成像系统具有指导意义。
%This paper mainly simulates the irradiance distribution changes of laser beam through the atmosphere .First ,it uses Zernike polynomial to produce a random phase screen and analyzes the spot changes through atmospheric transmission ,then uses Matlab software to simulate the random phase screen and the spot changes through the atmosphere transmission ,and analyzes the spot by uni-formity ,finally gets the conclusion that the multi beam combining is a useful method to improve the effectiveness of laser atmosphere transmission ,and it is significant to construct the laser light image system .【期刊名称】《装备学院学报》【年(卷),期】2014(000)001【总页数】4页(P116-119)【关键词】激光传输;大气湍流;泽尼克多项式;相位屏【作者】郭惠超;孙华燕;吴健华【作者单位】装备学院光电装备系，北京 101416;装备学院光电装备系，北京101416;92853部队【正文语种】中文【中图分类】TN241大气湍流是大气的一种重要运动形式,它的存在使大气中的动量、热量、水气和污染物的垂直和水平交换作用明显增强,远大于分子运动的交换强度。
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激光光束在大气中的传输机理研究
作为一种重要的光学工具，激光在现代科技和工业中发挥着重要作用。
而激光
光束在大气中的传输机理的研究，则是涉及到激光技术应用的一个关键领域。
在大气传输中，激光光束受到许多因素的影响，如大气湍流、散射和吸收等。
本文将深入探讨这些因素对激光光束传输的影响与机理。
首先，大气湍流是激光光束传输中的主要难题之一。
湍流会导致光束的强度分
布发生扭曲和衰减，从而降低激光传输的效率和质量。
目前，有许多研究方法用于模拟和理解湍流对光束的影响。
其中，数值模拟是一种常用的方法，通过数学模型对湍流流场进行计算和模拟，进而预测光束传输的效果。
此外，实验方法也被广泛应用于湍流研究中，例如通过气球和飞机等载体，在大气中进行光束传输实验，并测量湍流对光束的影响。
其次，散射是激光光束在大气中传输的另一个重要影响因素。
大气中的微尺度
粒子（如烟尘、白细胞和水滴）会使光束在传输过程中发生散射，从而导致光束的发散和强度的削弱。
为了更好地理解和预测散射对光束传输的影响，研究者们提出了各种散射模型和算法。
利用这些模型和算法，研究者可以预测光束在不同大气条件下的传输距离和强度衰减，并为激光应用提供相关参数和指导。
另外，大气在不同波长的激光光束中的吸收特性也会对光束传输产生影响。
大
气中的气体分子和颗粒物质会对激光光束中的能量进行吸收，从而导致光束的衰减和传输距离的限制。
为了充分利用激光技术，科研人员研究了不同波长激光在大气中的传输特性，并通过选择适合的激光波长，有效地减小了光束传输的衰减和损失。
总结而言，激光光束在大气中的传输机理研究是一个复杂而又关键的领域。
湍流、散射和吸收等因素的影响，使得激光在大气中传输的过程十分复杂且不可忽视。
因此，对这些因素的深入研究和理解，对于激光技术的发展和应用具有重要意义。
未来，我们可以继续探索新的理论和实验方法，以更好地解决激光光束在大气中的传输难题，并推动激光技术在各个领域的进一步应用与发展。