贝塞尔高斯波束在湍流大气中的传输特性和应用

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高斯波束传播特性研究_常伟

２
（）２０
２．３角谱展开法当波长达到束腰半径数量级或者更小时，傍轴近似条件不再成立，而微扰法得到的电场表达式将非常繁琐。基于本征函数的角谱展开是Ｈ不受傍轴近似条件限制，能够用ｅｌｍｈｏｌｔｚ方程在边界条件下的严格解，来研究傍轴区外场特性，而且场的角谱展开具有明显的物理意义，即空间波束可以看做是沿各个方向具有
其中ｋ＝ ω 槡 ε ０， μ μ ＝μ ψ 为ｚ的缓变函数。［１］将Ｌａｌａｃｅ算子分解成横向和纵向两部分１ｐ
２２２１ #２＝ #２＋２Ｔ＋２＝２＋ｒｒｚｒｚ２ ψ ＞＞ ψ ＜＜ｋ在满足傍轴近似条件（下可以得到傍轴近似方程ｋ２ ψ）ｚｚ２
３２
衡阳师范学院学报
２０１３年第３４卷
９］）将ｇ（式可以得到高斯波速场强函数［ｚ）和ｆ（ｚ）代入（２．２
ｘ＋ｙｗ０－（ｉ Φ ｚ））ｕ（ｘ，ｚ）＝ｕｅｗ２（ｅｙ，０ｗ（ｚ）
２２
（）３（）４
２２ｋ（ｘ＋ｙ）ｚ＋－φ Φ ＝ｋ２２／２ｚ１＋（ｋｗ０２ｚ）［］
收稿日期：２０１３０３２８－－；基金项目：湖南省普通高校光电课程组教学团队；湖南省普通高校光学省级精品课程（湖南省重点学科建设项２００６８４）－））目（和湖南省自然科学基金项目（０７０２０７１１ＪＪ６０６３，作者简介：常伟（男，湖南衡阳人，理学硕士，主要从事计算物理学、随机粗糙面电磁（光）散射，目标电磁特性等１９８８—）研究工作．

高斯光束的光谱传输特性分析

高斯光束的光谱传输特性分析王龙;沈学举;张维安;董红军【摘要】In order to analyze the spectral propagating properties of laser beam, spectral propagation equations of Gaussian beam propagating through free space and turbulent atmosphere were derived according to the extended Huygens-Fresnel formula, and then numerical simulation was carried out for the beam with center frequency 1. 78 × 10 rad/s and bandwidth 8. 39 × 1013rad/s. Results indicate that when Gaussian beam propagating through free space and turbulent atmosphere, spectrum blue-shifted exists at the scopes of near-axis and red-shifted happens if the distance from z-axis increases to a critical value. Turbulent atmosphere has the ability to reduce spectrum shift for off-axis scope, and increase of spectrum bandwidth in source can make spectrum shift phenomena more obvious. Intensity distribution vertical to z-axis at 5000m for Gaussian beams with frequency 1. 78 × 1015rad/s and 1. 75 × 1015rad/s shows that, for a fixed position light intensity of center frequency becomes weaker than intensity of some other frequency, and this can leads to spectral shift, besides, the phenomena of spectral changing with some parameters can be explained with the theories of Gaussian beam propagation and turbulent atmosphere beam width-spreading effect.%为了研究光束的光谱传输特性,根据广义惠更斯-菲涅耳原理,推导了高斯光束光谱经自由空间和湍流大气传输的表达式,并以中心频率为1.78×1015rad/s、谱宽为8.39×1013 rad/s的高斯光束为例进行了数值分析.结果表明,高斯光束传输过程中,z轴附近光谱存在少量蓝移,离轴距离增大到约为0.5w(z)时,光谱由蓝移变为红移,湍流效应对离轴较远点的谱移现象有比较明显的抑制作用,而增大源光谱的带宽,则会使谱移现象更显著;计算1.78×1015rad/s和1.75 ×1015rad/s两束单色光传输5000m时传输截面上的光强分布发现,对于某个横向位置,源光谱中心频率激光的强度会比某个其它频率激光的强度小,产生传输截面上的谱移现象,谱移现象随各参量的变化规律可由高斯光束的束腰变化规律和湍流效应对光束的展宽效应进行解释.【期刊名称】《激光技术》【年(卷),期】2012(036)005【总页数】4页(P700-703)【关键词】光谱学;光谱移动;大气湍流;高斯光束【作者】王龙;沈学举;张维安;董红军【作者单位】军械工程学院光学与电子工程系,石家庄050003;军械工程学院光学与电子工程系,石家庄050003;军械工程学院光学与电子工程系,石家庄050003;军械工程学院光学与电子工程系,石家庄050003【正文语种】中文【中图分类】O436;P425.2引言激光束的大气传输在光电对抗、跟踪和远距离光通信等应用中有非常重要的意义［1-3］。

高斯光束及其传播特性

高斯光束及其传播特性
汪桂芝
【期刊名称】《渤海大学学报：自然科学版》
【年(卷),期】1997(000)004
【摘要】本文从光的衍射理论出发，导出了共焦腔中的场分布，进而对激光的传播特性进行了讨论、即激光的准直性和高亮度是由高斯光束的传播特性所决定的。

【总页数】5页(P37-41)
【作者】汪桂芝
【作者单位】锦州师范学院
【正文语种】中文
【中图分类】TN241
【相关文献】
1.贝塞尔–高斯光束圆孔衍射场的传播特性 [J], 徐寿泉
2.湍流等离子体鞘套中高斯光束的传播特性分析 [J], 吕春静; 韩一平
3.温度对串联光折变晶体回路中高斯光束传播特性的影响 [J], 吉选芒;谢世杰;王金来;刘劲松
4.大气湍流中孔径限制下高斯光束的传播特性 [J], 田芃;元秀华;陈松
5.透射圆波片后基模高斯光束的传播特性 [J], 徐寿泉
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汉克-贝塞尔光束在海洋湍流信道中的r螺旋相位谱分析

汉克-贝塞尔光束在海洋湍流信道中的r螺旋相位谱分析尹霄丽;忻向军;郭翊麟;闫浩;崔小舟;常欢;田清华;吴国华;张琦;刘博【摘要】携带轨道角动量的汉克-贝塞尔(Hankel-Bessel,HB)光束具有无衍射和自聚焦特性,用来作为信息传输的载体有望增大信息传输容量.基于Rytov近似理论,推导得到了HB涡旋光束经过海洋水平弱湍流信道后的螺旋相位谱的解析表达式,并利用数值仿真方法研究了海洋湍流参数对轨道角动量模式探测概率的影响.结果表明,海洋湍流导致发射轨道角动量模式的探测概率下降,出现模式串扰和螺旋相位谱扩展.海洋湍流对HB涡旋光束的负面影响随着轨道角动量模式数、传输距离、温度方差耗散率的增加而增强,随湍流动能耗散率的增加而减弱.HB涡旋光束受以盐度波动驱动的海洋湍流的负面影响更大.另外,在弱湍流及几十米传输距离条件下,HB涡旋光束的传输性能要差于最佳束腰大小设置的拉盖尔-高斯涡旋光束.这些结果有望为海洋环境水下光通信链路的实现提供一定的参考价值.【期刊名称】《物理学报》【年(卷),期】2018(067)011【总页数】8页(P132-139)【关键词】汉克-贝塞尔光束;轨道角动量;海洋湍流;螺旋相位谱【作者】尹霄丽;忻向军;郭翊麟;闫浩;崔小舟;常欢;田清华;吴国华;张琦;刘博【作者单位】北京邮电大学电子工程学院,北京100876;北京邮电大学,天地互联与融合北京市重点实验室,北京100876;北京邮电大学电子工程学院,北京100876;北京邮电大学,天地互联与融合北京市重点实验室,北京100876;北京邮电大学电子工程学院,北京100876;北京邮电大学,天地互联与融合北京市重点实验室,北京100876;北京邮电大学理学院,北京100876;北京邮电大学电子工程学院,北京100876;北京邮电大学,天地互联与融合北京市重点实验室,北京100876;北京邮电大学电子工程学院,北京100876;北京邮电大学,天地互联与融合北京市重点实验室,北京100876;北京邮电大学电子工程学院,北京100876;北京邮电大学,天地互联与融合北京市重点实验室,北京100876;北京邮电大学电子工程学院,北京100876;北京邮电大学电子工程学院,北京100876;北京邮电大学,天地互联与融合北京市重点实验室,北京100876;南京信息工程大学物理与光电学院,南京210044【正文语种】中文1 引言最近,水下传感网络、水下无人飞行器和潜艇等信息传输需求的快速增长促进了水下光通信系统的研究[1−4].带有不同轨道角动量(orbital angular momentum,OAM)模式数的光束(也称涡旋光束)是相互正交的,有望通过OAM复用来提升水下光通信系统的信道容量,相关研究受到了广泛关注[5−9].Ren等[2]实验研究了携带有4个不同OAM模式光束的复用传输,实现了4 Gbit/s的水下光通信链路.Baghdady等[6]实现了3 Gbit/s水下2.96 m OAM光通信链路传输.然而,利用OAM提升系统信道容量的方法容易受海洋湍流的限制.混浊度、水流速度、温度梯度和盐度梯度等[1,2,6,9]湍流因素的存在导致OAM光束能量将会扩散到其他OAM模式上,这种现象称为模式串扰,从而减少了系统的信道容量[10−13].带有OAM的汉克-贝塞尔(Hankel-Bessel,HB)涡旋光束具有无衍射和自聚焦特性,即在无衍射传播范围内不会改变光强分布,并在遇到障碍物后能够重建横向强度分布[14,15].虽然无衍射特性表明光束能量是无穷的,但是已经有实验证明能够产生近似的无衍射光束[16,17].HB涡旋光束在空间光通信领域得到了研究者的关注,研究表明在大气湍流信道中HB涡旋光束受湍流影响较小[14,15].据我们所知,HB涡旋光束在海洋湍流中的传输特性研究尚未见报道.本文首先基于Rytov近似理论,对HB涡旋光束在海洋弱湍流信道的传播特性进行了理论分析,推导得到了接收光束的螺旋相位谱解析表达式.数值分析了海洋湍流参数对HB涡旋光束传输的影响,并在同等湍流条件下与拉盖尔-高斯(Laguerre-Gaussian,LG)涡旋光束进行了对比分析,这些结果将对OAM在水下光通信的潜在应用具有指导意义.2 理论分析2.1 HB涡旋光束经海洋湍流信道传播的统计特性对于HB涡旋光束而言,在自由空间中传输距离z处的复振幅M表达式为[15](1)式中l0是OAM模式数;A 0是用来描述光束功率的常数;J m(x)是m阶的第一类贝塞尔函数;k=2π/λ是波数,λ是波长;ρ =(ρ,ϕ)是源平面二维位置矢量;ϕ是方位角.基于Rytov近似理论,HB涡旋光束在海洋湍流信道中传输距离为z处的复振幅可以表示为[10](2)式中,Ψ1(ρ,ϕ,z)是海洋湍流引入的随机复相位扰动.HB涡旋光束在海洋湍流中的二阶交叉谱密度函数可表示为[10](3)式中,*表示复数共轭,⟨·⟨t表示对湍流的系综平均[18,19].利用Rytov相位结构函数的二次近似,能够得到(3)式等号右边的最后一项为[20] (4)式中,ρ0是海洋湍流中球面波的空间相干长度,其表达式为[10](5)式中,κ是折射率波动的空间角频率,ϕocean(κ)是海洋湍流的折射率波动的空间功率谱,在均匀各向同性海水中可表示为[21,22](6)式中,χT是温度方差耗散率,从海洋表面到深水层的取值范围为10−4–10−10 K 2/s;ε是湍流动能耗散率,从海洋表面到深水层的取值范围为10−1–10−10m2/s3;η是Kolmogorov尺度;τ是平衡参数,用来描述温度与盐度波动对功率谱变化贡献大小的比值,其值从0变化到−5,其中0代表海洋湍流完全由盐度波动主导,−5代表完全由温度波动主导;A T=1.863×10−2;A s=1.9× 10−4;A T s=9.41× 10−3;δ=8.284(κη)4/3+12.978(κη)2.将(6)式代入(5)式中,化简得到[13](7)式表明在相同的波长和传输距离下,海洋湍流越弱,ρ0越大.2.2 螺旋相位谱当HB涡旋光束在海洋湍流信道中传播时,湍流效应导致了OAM模式串扰,接收端不仅能检测到发射模式,还能检测到其他模式.因此,可以将HB涡旋光束经过海洋湍流后的复振幅写成无穷多个本征态的叠加,即(8)式中,系数a l(ρ,z)可表示为对系数a l(ρ,z)求湍流系综平均,可以得到HB涡旋光束OAM模式概率密度为将(3)式代入(10)式中,并利用(4)式化简得到将(1)式代入(11)式中,并利用积分关系[23]可以简化计算得到HB涡旋光束的OAM模式概率密度的解析表达式为(12)式和(13)中,I n(η)是n阶第一类修正贝塞尔函数.另外,当发射OAM模式为l0时,可以将接收到OAM模式为l的螺旋谐波能量定义为(14)式中,R为光束的接收孔径.接下来,将螺旋相位谱P l(z)定义为OAM模式为l的螺旋谐波能量与光束总能量的比值,可表示为(15)式中,表示涡旋光束的总能量.当l等于l0时,P l0(z)表示探测概率;当l等于l0±∆l,P l(z)表示串扰概率,∆l表示发射的OAM模式与探测到的OAM模式的差值.3 数值分析本文做了如下设置:Kolmogorov尺度η为10−3 m,A 0为10,接收孔径R为3 cm.考虑到海水中的吸收和散射效应,波长λ取为532 nm[1].图1以发射OAM模式数l0等于1为例,给出了HB涡旋光束的探测概率随传输距离变化的曲线.设置温度方差耗散率χT为10−7K 2/s,湍流动能耗散率ε为10−3m2/s3,平衡参数τ为−4,这些设置满足弱湍流条件[13,22].图1 不同的OAM模式数l时,HB涡旋光束的探测概率随z的变化曲线Fig.1. Detection probability of HB vortex beam against z for diff erent l.从图1可以看出,随着传输距离的增加,OAM模式探测概率曲线呈下降趋势,而邻近模式的串扰概率不断增加.从(7)式也可以分析得到,随着传输距离的增加,ρ0减少,海洋湍流引起的模式串扰变得严重.图2是在温度方差耗散率χT为10−7 K 2/s,湍流动能耗散率ε为10−3 m2/s3,平衡参数τ为−4,传输距离为30 m,发射OAM模式数l0为1到5时,HB涡旋光束的螺旋相位谱.从图2中可以看出,海洋湍流造成了明显的模式串扰,并引起了螺旋相位谱的扩展.同时,随着OAM模式数的增加探测概率下降,这是因为随着OAM模式数增加,光束变得更加发散[20].图2 z为30 m时,HB涡旋光束的螺旋相位谱Fig.2.OAM spectra of HB vortex beam for z=30 m.图3 —图5分别分析了平衡参数τ、温度方差耗散率χT,以及湍流动能耗散率ε对OAM模式l0=1的光束探测概率的影响.图3是在温度方差耗散率χT为10−7 K 2/s,湍流动能耗散率ε为10−3 m2/s3,平衡参数τ取−4.5,−3.5,−2.5和−1.5四种情况下得到的探测概率随传输距离变化的曲线.从图3中可以看出,当τ值接近−5时,海洋湍流对光束的负面影响较小;随着|τ|减少,海洋湍流对光束的负面影响越来越大.这是因为|τ|→ 0时,海洋湍流以盐度波动为主,此时ρ0值很小,海洋湍流使HB涡旋光束发散得很严重[23].因此,可以得到HB涡旋光束更加容易受以盐度波动为主的海洋湍流的影响.图3 不同的τ时,HB涡旋光束的探测概率随z的变化Fig.3. Detection probability of HB vortex beam against z for diff erentτ.图4 是在湍流动能耗散率ε为10−3 m2/s3,平衡参数τ为−4,温度方差耗散率χT 取不同值时,探测概率随传输距离z的变化曲线.从图4中可以看出,HB涡旋光束的OAM模式探测概率随χT的增加而减少.当χT较小时,海洋湍流的负面影响较弱,更适合HB涡旋光束OAM模式的传输.这是因为在ε一定时,随着χT的增大,ρ0值减小,海洋湍流带来的负面影响变得更强,导致光束发散得越快,因而探测概率也在下降[23].图4 不同χT时,HB涡旋光束的探测概率随z的变化Fig.4.Detection probabilityof HB vortex beam against z for diff erentχT.图5 是在温度方差耗散率χT为10−7 K 2/s,平衡参数τ为−4,湍流动能耗散率ε取不同值时,探测概率随传输距离z的变化曲线.从图5中可以看出,HB涡旋光束的OAM模式探测概率随ε增加而增加.这是因为对于固定的χT,随着ε值增大,ρ0值也增大,海洋湍流引起的光束发散变小,因此探测概率增加[23].图5 不同的ε时,HB涡旋光束的探测概率随z的变化Fig.5.Detection probability of HB vortex beam against z for diff erentε.LG涡旋光束是一种比较常见的涡旋光束,在空间光通信中也受到了研究者的关注[7,8,10,20].图6比较了HB涡旋光束和LG涡旋光束的探测概率随传输距离变化的影响.其中,设置HB涡旋光束和LG涡旋光束的发射OAM模式数为1,2和3,传输距离从0变化到50 m,温度方差耗散率χT为10−7 K 2/s, 湍流动能耗散率ε为10−3 m2/s3,平衡参数τ为−4.LG涡旋光束的径向模式数为0,w0=1 cm为常见入射光束腰大小[10],w0=2.9 mm为光束传输至50 m处,使得接收端的光斑尺寸最小的最佳入射光束腰大小.图6 不同的OAM模式数l时,HB与LG涡旋光束的探测概率随z的变化Fig.6.Detection probability of HB and LG vortex beam against z for diff erent l.从图6中可以看出,HB涡旋光束的探测概率大于常见LG涡旋光束(束腰大小为1 cm),但是小于最佳LG涡旋光束(束腰大小为2.9 mm).这是因为在接收端HB涡旋光束的光斑尺寸小于常见LG涡旋光束,大于最佳LG涡旋光束.因此,在海洋湍流信道中,HB涡旋光束的传输性能优于常见LG涡旋光束,差于最佳LG涡旋光束.4 结论本文研究了在弱湍流海洋环境下,湍流对HB涡旋光束OAM模式探测概率的影响.理论推导了HB涡旋光束经过海洋水平弱湍流信道后的螺旋相位谱的解析表达式.数值计算结果表明海洋湍流明显地造成了发射OAM模式扩展.HB涡旋光束的传输距离越长,海洋湍流带来的负面影响也越来越严重,使得HB涡旋光束在湍流海洋的传输距离被限制在几十米之内;随着OAM模式数、温度方差耗散率和平衡参数的增加以及湍流动能耗散率的减少,湍流效应带来的负面影响也越来越严重,导致HB 涡旋光束的探测概率下降.在弱湍流及几十米传输距离条件下,HB涡旋光束的传输性能比最佳束腰大小设置的LG涡旋光束要差.这些结果有望为海洋环境水下光通信链路的实现提供一定的参考价值.附录A1)入射光束的最佳束腰尺寸在自由空间中,束腰大小为w0的入射光束传输至距离z处的光斑大小为[10](A1)式中,z R=kw 20/2是瑞利距离,k=2π/λ为波数,λ为波长.要使光束传输至距离z处后光斑尺寸最小,当且仅当时,接收端最小光斑尺寸的表达式为当波长为532 nm,传输距离为50 m时,入射光束腰大小w0为2.9 mm,此时,接收端得到最小光斑尺寸为4.1 mm.2)接收端HB和LG涡旋光束光斑尺寸对比分析通过原文(13)式分析得到,根据OAM模式探测概率密度⟨|a l0(ρ,z)|2⟨能够推断光束的能量分布特性,能量最集中处即⟨|a l0(ρ,z)|2⟨取最大值处.为了对比分析HB涡旋光束、常见(束腰大小为1 cm)和最佳(束腰大小为2.9 mm)LG涡旋光束的光斑尺寸,对OAM模式探测概率密度⟨|a l0(ρ,z)|2⟨进行了数值计算.图A1描述的是各涡旋光束沿径向ρ的探测概率密度归一化曲线.其中设置温度方差耗散率χT为10−7 K 2/s,湍流动能耗散率ε为10−3 m2/s3,平衡参数τ为−4,传输距离为50 m.从图A1(a)可以看出,与常见LG涡旋光束相比,HB涡旋光束的主瓣更窄,能量更集中,HB涡旋光束的⟨|a l0(ρ,z)|2⟨最大值处的位置更靠近ρ=0,因此,HB涡旋光束的能量扩散程度小于常见LG涡旋光束,并且光斑尺寸要小于常见LG涡旋光束[15].从图A1(b)可以看出,最佳LG涡旋光束的主瓣明显比常见LG涡旋光束的主瓣更窄,并且最佳LG涡旋光束的⟨|a l0(ρ,z)|2⟨最大值处的位置靠近ρ=0,即最佳LG涡旋光束的光斑尺寸要小于HB涡旋光束[15].图A1 OAM模式探测概率密度沿径向ρ的归一化曲线(a)w0=1 cm;(b)w0=2.9 mmFig.A1.The normalization curve of OAM mode detection probability density againstρ:(a)w0=1 cm;(b)w0=2.9 mm.参考文献[1]Baghdady J,Miller K,Osler S,Morgan K,Li W Z,Johnson E,Cochenour B 2016 SPIE Defense+Security Baltimore,United States,April 17–21,2016p98270G[2]Ren Y X,Li L,Wang Z,Kamali S M,Arbabi E,Arbabi A,Zhao Z,Xie G D,Cao Y W,Ahmed N,Yan Y,Liu C,Willner A J,Ashrafi S,Tur M,Faraon A,Willner A E 2016 Sci.Rep.6 33306[3]Doniec M,Detweiler C,Vasilescu I,Rus D 2010 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems Taipei,Taiwan,October 18–22,2010 p4017[4]Gabriel C,Khalighi A,Bourennane S,Léon P,Rigaud V 2012 Egu.General Assembly 14 2685[5]Wang J,Yang J Y,Fazal I M,Ahmed N,Yan Y,Huang H,Ren Y X,YueY,Samuel D,Moshe T,Willner A E 2012 Nature Photon.6 488[6]Baghdady J,Kelly J,Miller K,Morgan K,Li W Z,Johnson E 2016 OCEANS2016 MTS/IEEE Monterey,United States,September 19–23,2016 p1[7]Abderrahmen T,Carmelo R G,Angela D,Bienvenu N,Amine B S,Mourad Z,Andrew F 2016 Sci.Rep.6 27674[8]Cui X Z,Yin X L,Chang H,Zhang Z C,Wang Y J,Wu G H 2017 Chin.Phys.B 26 114207[9]Baghdady J,Miller K,Morgan K,Byrd M,Osler S,Ragusa R,Li WZ,Cochenour B M,Johnson E G 2016 Opt.Express 24 9794[10]Cheng M J,Guo L X,Li J T,Huang Q Q,Cheng Q,Zhang D 2016Appl.Opt.55 4642[11]Viola S,Valyrakis M,Kelly A,Lavery M P 2016 Lasers and Electro-Optics IEEE San Jose,United States,June 5–10,2016 p SW1F.3[12]Liu Z L,Chen J L,Zhao D M 2017 Appl.Opt.56 3577[13]Cheng M J,Guo L X,Li J T,Zhang Y X 2017 IEEE Photon.J.8 1[14]Wu G H,Tong C M,Cheng M J,Peng P 2016 Chin.Opt.Lett.14 6[15]Zhu Y,Liu X J,Gao J,Zhang Y X,Zhao F S 2014 Opt.Express 22 7765[16]Vasara A,Turunen J,Friberg A T 1989 J.Opt.Soc.Am.A 6 1748[17]Herman R M,Wiggins T A 1991 J.Opt.Soc.Am.A 8 932[18]Zhu Y,Zhang L C,Zhang Y X 2016 Chin.Opt.Lett.14 54[19]Cheng M J,Guo L X,Zhang Y X 2016 Chin.J.Radio 31 737(in Chinese)[程明建,郭立新,张逸新2016电波科学学报31 737][20]Ke X Z,Chen J,Yang Y M 2014 Acta Phys.Sin.63 150301(in Chinese)[柯熙政,谌娟,杨一明2014物理学报63 150301][21]Nikishov V V,Nikishov V I 2000 Int.J.Fluid Mech.Res.27 82[22]Ata Y,Baykal Y 2014 J.Opt.Soc.Am.A 31 1552[23]Lu W,Liu L R,Sun J F 2006 J.Opt.A:Pure Appl.Opt.8 1052。

涡旋光束嵌套高斯光束在湍流大气中的传输

涡旋光束嵌套高斯光束在湍流大气中的传输赵艮春;庄其仁;陈唐荣;戴文海【期刊名称】《华侨大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2013(034)001【摘要】研究大气湍流波像差中的散焦和像散两种低阶像差对聚焦涡旋光束嵌套高斯光束焦面光强的影响,并用数值模拟的方法分析接收焦面平均光强分布随光束聚焦距离、拓扑荷数、湍流强度等参数的变化特性.结果表明:随着传输距离和大气折射率结构常数的增大,复合光束焦面光强峰值降低,光斑半径增大,光斑漂移现象明显,而接收焦面内的光强分布仍保持其高斯分布规律.说明涡旋光束和高斯光束经大气湍流后具有相同的强度起伏,有利于接收端的相干检测.%The paper investigates the effects of two low-order aberrations, i. e. atmospheric turbulence defocusing aberration and astigmatism, on the focal plane intensity of vortex beams nested Gaussian beam. The variation of the focal plane intensity with atmospheric turbulence intensity, transmission distance and the topological charge are analyzed by the numerical simulation methed. The results show that: as the transmission distance and the atmospheric refractive index structure constant increasing, the composite beam focal plane intensity peak reduced, facula radius increased, and the laser spot drift phenomenon is obvious, but the intensity distribution in the receiving focal plane still maintains its Gauss distribution law. It demonstrate that the vortex beam and Gauss beam have the same intensity fluctuation when they passing throughatmospheric turbulence, therefore it is helpful to the coherent detection of the receiving end.【总页数】4页(P18-21)【作者】赵艮春;庄其仁;陈唐荣;戴文海【作者单位】华侨大学信息科学与工程学院,福建厦门361021;华侨大学信息科学与工程学院,福建厦门361021;华侨大学信息科学与工程学院,福建厦门361021;华侨大学信息科学与工程学院,福建厦门361021【正文语种】中文【中图分类】O435.1【相关文献】1.湍流大气中高斯光束通过角反射器的解析传输 [J], 杜海涛;张来线;单聪淼;赵延仲2.复宗量厄米双曲余弦高斯光束在湍流大气中的传输特性 [J], 刘永欣;蒲继雄;陈子阳;王涛3.部分相干双曲余弦高斯光束在湍流大气中传输的光谱变化 [J], 张涛;陈晓文;季小玲4.反常涡旋光束在湍流大气中的传输特性研究 [J], 杨元杰;袁乙平5.弱湍流大气中部分相干涡旋光束的轨道角动量特性 [J], 任程程; 杜玉军; 吕宏; 刘旭东; 朱运周因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

大气湍流中激光波束斜程传输的展宽、漂移特性

大气湍流中激光波束斜程传输的展宽、漂移特性
韦宏艳;吴振森
【期刊名称】《电波科学学报》
【年(卷),期】2008(23)4
【摘要】根据推广的Huygens-Fresnel原理推导了不同接收机高度斜程传输情况下波束的扩展半径.同时结合Mellin变换,导出了考虑外尺度情况下准直激光波束漂移方差模型,可以退化到不考虑外尺度时漂移方差.数值计算中应用ITU-R公布的随高度变化的大气结构常数模型,结果表明,斜程大气湍流中波束的漂移方差、扩展半径依赖于接收机高度和初始波束半宽.随仰角的增加,波束的有效半径和漂移方差不断减小;累积效应斜程传输波束受大气湍流的影响比水平传输要小得多.
【总页数】5页(P611-615)
【作者】韦宏艳;吴振森
【作者单位】西安电子科技大学理学院,陕西,西安,710071;西安电子科技大学理学院,陕西,西安,710071
【正文语种】中文
【中图分类】TN011
【相关文献】
1.高斯-谢尔光束在斜程大气湍流中的短期光束展宽 [J], 向宁静;王巧艳;华雪侠
2.斜程大气湍流中激光回波的闪烁指数 [J], 程玲;韦宏艳;张洪建;蔡冬梅
3.激光在大气湍流中的传输特性 [J], 李磐石;王红霞;孙振;杨成莱;
4.部分相干光在大气湍流中斜程传输路径上的展宽与漂移 [J], 柯熙政;韩美苗;王明军
5.基于斜程传输模型的卫星激光测距在气溶胶中探测性能的研究 [J], 陈煜丰;安宁;韩兴伟;刘承志;范存波;温冠宇;宋清丽;董雪
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弱湍流大气中Mathieu-Gauss束的传输

维普资讯
第３８卷第２期
２００８年２月
激光与红外
ＬＳＲ＆ＩＲＡＡＥＮＦＲＥＤ
Ｖｏ．８，．１３Ｎｏ２Ｆｅｒｒ２０８ｂｕａｙ，０
文章编号：０－７（０８０－１－１１０８２０）２１００５０２３
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ｏｈｓｂｅｍｓｐｏｇａｉｎｉｅｐｃ．ｆｔｉａｒｐａｔｏｎｆｅｓａｅｌ
Ｋｅｒｓ：ｏｄｆａｔｇｂａ；ｔｉｕＧｕｓｂａ；ｔｓｈｒｒｐｇｔｎｙｗｏｄｎｎｉｒｃｉｅｍｓＭａｈｅ — ａｓｅｍｓａｍｏｐｅｃｐｏａａｉｎｉｏ
ｔｅｐｏｕｔｆｏｒｆｃｏｓａｃｍｐｅｍｐｉｄｅｅｄｎｎｔｅｚｃｏｄｎｔｎｙ，ａｓｉｎｂａａｆｃｏｆｃｎ— ｈｒｄｃｕｔｒ：ｏｌｘａｌｕｅｄｐｎｉｇｏｈｏｒｉａｅｏｌａＧｕｓａｅｍ，ａｔｒｏｏｆａｔｏ
ｉｇｂａａｅｅｐｎｅｎｔｒｆｐａｅｗｖｓｗｒｓｎｈｒｐｇｔｎｃａａｔｒｚｔｎｏｔｉｕＧｕｓｎｅｍｓｃｎｂｘａｄｄｉｅｍｓｏｌｎａｅ，ｅｐｅｅｔｔｅｐｏａａｉｈｒｃｅａｉｆＭａｈｅ — ａｓｏｉｏｂａ．ＴｌｘｒｓｉｎｏｔｉｕＧｕｓｂａｈｃｙｒｐｇｔｎｉａｕｂｌｎｔｓｈｒａｅｗｉｅｓｅｍｓｌｅｐｅｓｏｆＭａｈｅ－ａｓｅｍｓｗｉｈａｅｐｏａａｉｗｅｋｔｒｕｅｔｍｏｐｅｅｃｎｂｒｔｎａｅｏｎａｔ

啁啾脉冲高斯光束在大气湍流中的传输特性

中图分类号：０４３６文献标志码：Ａｄｏｉ：ＩＯ．３７８８／ＨＰＬＰＢ２０１３２５０９．２２５７
近年来，激光束通过湍流大气的传输问题受到人们越来越广泛的关注］。当激光束在大气中传播时，它会受到吸收、散射和湍流效应的影响。其中湍流效应是对激光大气传输特性影响最大的因素之一，由于大气湍流的存在，大气折射率会发生微小的起伏，因而激光的光场强度分布也会发生起伏，即产生闪烁现象；同时由于大气湍流引入的相位扰动，光场的时一空相干性受到干扰甚至破坏，光束会产生扩展和漂移，光束的光谱特性会发生变化＿ｌ］，这些效应会削弱光束质量ｌ１。在远距离光通信、跟踪、遥感等光学系统中，激光的传输介
并对解析表达式进行了数值仿真。结果表明：啁啾参数越大，光源谱宽越宽；当光源相对谱宽大于０．３３６时，轴上点光谱产生蓝移；湍流使得轴上点光谱的相对频移量减小，相对频移量随源光谱宽的增大而非线性增大；增大光束束腰半径可减小湍流对光谱频移、光束展宽的影响。关键词：激光光学；湍流大气；啁啾脉冲；相对频移；光谱强度
１理论模型
设人射面一０上有一啁啾脉冲高斯光束
Ｅ（ｘ，）一ｅｘｐ（－３Ｃ１－）厂（）

湍流大气中J0相关部分相干平顶光束的传输特性

湍流大气中J0相关部分相干平顶光束的传输特性
朱焯炜;徐建才;仓吉
【期刊名称】《激光技术》
【年(卷),期】2010(034)004
【摘要】为了研究相干度为零阶贝塞耳函数的部分相干平顶光束的传输特性,采用广义惠更斯-菲涅耳公式得到了J0相关部分相干平顶光束通过湍流大气的平均光强分布,并利用空间2阶矩法得到了均方根束宽的解析表达式;分析了传输距离、相干长度、大气折射率结构常数、阶数对光强分布特性和光束扩展的影响.结果表明,J0部分相干平顶光束的阶数越高,相干长度越小,光束受湍流的影响就越小;改变光源的相干度可以使光束在湍流大气中的中心光强达到最大.
【总页数】4页(P565-568)
【作者】朱焯炜;徐建才;仓吉
【作者单位】江南大学,理学院,无锡,214122;江南大学,理学院,无锡,214122;江南大学,理学院,无锡,214122
【正文语种】中文
【中图分类】P425.2;TN012
【相关文献】
1.部分相干环状平顶光束在大气湍流中的传输特性 [J], 陈晓文;贺超;魏小琴;汤明玥;
2.湍流大气中J0相关部分相干平顶光束的谱移 [J], 朱焯炜;苏宙平
3.部分相干平顶光束序列在湍流大气中传输特性 [J], 钟燕丽;崔执凤;石建平;屈军
4.部分相干环状平顶光束在大气湍流中的传输特性 [J], 陈晓文;贺超;魏小琴;汤明玥
5.部分相干平顶光束通过大气湍流的传输特性 [J], 林小娟;陈和;陈思颖;郭磐因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

《大气湍流-气溶胶复合介质中涡旋光束传播特性研究》

《大气湍流-气溶胶复合介质中涡旋光束传播特性研究》一、引言随着激光技术的飞速发展，涡旋光束因其独特的螺旋波前相位结构在光学、光通信、光操控等领域展现出广泛的应用前景。

然而，在复杂的大气环境中，尤其是包含大气湍流和气溶胶复合介质的条件下，涡旋光束的传播特性变得极为复杂。

本文旨在研究大气湍流-气溶胶复合介质中涡旋光束的传播特性，为涡旋光束在实际应用中的优化设计和控制提供理论依据。

二、涡旋光束的基本理论涡旋光束是一种具有螺旋波前相位结构的特殊光束，其相位分布呈现出与方位角相关的特性。

这种特殊的相位结构使得涡旋光束在传播过程中具有独特的性质，如轨道角动量。

涡旋光束在光学、光通信、量子信息等领域有着广泛的应用前景。

三、大气湍流与气溶胶对涡旋光束的影响大气湍流是影响涡旋光束传播的重要因素之一。

由于大气中的温度、湿度、压力等参数的随机变化，导致大气密度的波动，进而影响光束的传播。

此外，气溶胶等颗粒物的存在也会对光束的传播产生影响。

气溶胶颗粒物会吸收、散射和折射光束，改变其传播方向和强度。

因此，在研究涡旋光束在大气湍流-气溶胶复合介质中的传播特性时，需要考虑这两者的综合影响。

四、研究方法与实验设计为了研究大气湍流-气溶胶复合介质中涡旋光束的传播特性，我们采用了数值模拟和实验相结合的方法。

首先，我们建立了包含大气湍流和气溶胶效应的光束传播模型，通过数值模拟方法研究涡旋光束在复合介质中的传播过程。

其次，我们设计了一系列实验，通过实验数据验证数值模拟结果的准确性。

实验中，我们采用激光器产生涡旋光束，通过人工模拟大气湍流和气溶胶环境，观察涡旋光束的传播特性。

五、结果与讨论1. 数值模拟结果：通过数值模拟，我们发现在大气湍流和气溶胶的共同作用下，涡旋光束的传播受到严重的影响。

湍流导致光束的扩散和畸变，而气溶胶则使光束发生散射和吸收。

然而，涡旋光束的特殊相位结构使其在传播过程中表现出一定的抗干扰能力。

2. 实验结果：实验结果表明，在复合介质中，涡旋光束的传播特性与数值模拟结果基本一致。

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贝塞尔高斯波束在湍流大气中的传输特性和应用
贝塞尔高斯波束在湍流大气中的传输特性和应用
引言
贝塞尔高斯波束是一种具有特殊传输特性和广泛应用前景的光束。

湍流大气作为光波传输中的一个重要障碍，常常导致光束的扩散、衍射和畸变。

本文将以贝塞尔高斯波束在湍流大气中的传输特性和应用为主题进行探讨，旨在揭示贝塞尔高斯波束在湍流大气环境中的表现和潜在优势。

贝塞尔高斯波束的传输特性
贝塞尔高斯波束是一种由随距离变化的波面曲率和衍射性质所描述的光束。

相比于其他光束，贝塞尔高斯波束在湍流大气中具有以下特性：
1. 自主焦点调整能力：贝塞尔高斯波束具有自主调整焦
点位置的能力，这是由于波束的数值孔径在传输过程中可变化。

在湍流大气中，由于不断变化的折射指数，光波的相位面遭到扭曲，导致传统高斯光束的焦点位置难以维持。

而贝塞尔高斯波束通过调整光场的角度和数值孔径，可以在传输过程中实现焦点位置的自主调整。

2. 耐湍流衍射：湍流大气中光波的湍流衍射常常引起光
束的扩散和畸变。

贝塞尔高斯波束的特殊传输特性使其能够更好地抵抗湍流衍射的影响。

其波前曲率变化的同时，波束半径也会相应调整，以适应湍流环境中不断变化的折射指数。

这种自适应性使得贝塞尔高斯波束具有更好的衍射耐受能力。

贝塞尔高斯波束的应用前景
湍流大气中的光束传输一直是光学通信和激光雷达等领域的难点之一。

贝塞尔高斯波束作为一种具备特殊传输特性的光束，
有着广泛的应用前景。

1. 光学通信：在大气传输中，贝塞尔高斯波束相比传统
高斯光束具有更好的抗湍流衍射和自适应调整焦点位置的能力。

这使得贝塞尔高斯波束在光学通信系统中可以更好地保持光束的聚焦性和传输稳定性，提高视距传输的可靠性和速率。

2. 大气湍流成像：湍流大气环境下的图像采集经常面临
衍射失真和模糊问题。

贝塞尔高斯波束的特殊传输特性可以通过自适应调整焦点和抗湍流衍射的能力，减小图像的扩散和畸变，提高成像质量。

3. 激光雷达：激光雷达在大气中的探测和测距常常受到
湍流大气的影响。

贝塞尔高斯波束能够通过自主调整焦点位置和减小湍流衍射对激光波前的影响，提高激光雷达的距离测量精度和探测灵敏度。

结论
贝塞尔高斯波束是一种在湍流大气中具有特殊传输特性和广泛应用前景的光束。

其自主调整焦点位置和减小湍流衍射的能力，使得贝塞尔高斯波束在光学通信、大气湍流成像和激光雷达等领域有着重要的应用价值。

未来，随着对贝塞尔高斯波束的深入研究和技术进一步发展，相信其在湍流大气中的应用前景将会更加广阔
贝塞尔高斯波束作为一种具备特殊传输特性的光束，在光学通信、大气湍流成像和激光雷达等领域有着广泛的应用前景。

它能够通过自主调整焦点位置和减小湍流衍射的能力，提高光束的聚焦性、传输稳定性和成像质量，从而提高光通信系统的可靠性和速率，减小图像的扩散和畸变，提高成像质量，以及提高激光雷达的距离测量精度和探测灵敏度。

随着对贝塞尔高
斯波束的深入研究和技术进一步发展，相信在湍流大气中的应用前景将会更加广阔。