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《哈尔滨工业大学》 2017年
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特殊关联的部分相干光束及其在大气湍流中的传输特性

宋真真  
【摘要】:激光传输与控制是激光应用研究的一个重要课题。随着激光光束应用的扩展,在一些领域,如自由空间光通信、遥感、激光雷达和材料的热处理等,适当降低光束的相干性能够减小光束受湍流介质的不利影响。因此,部分相干光束的研究受到广泛关注。早期,受交叉谱密度函数非负积分核条件的限制,部分相干光束的研究工作大部分都是基于传统高斯谢尔模光束,其相关函数分布满足高斯分布。而实际上,部分相干光束的相关函数分布并不只局限于高斯型。近年来,基于构建特殊相关函数(非高斯型)的充分条件,许多特殊关联部分相干光束的理论模型相继被提出。由于具有特殊的空间关联结构分布,这些特殊关联的部分相干光束在自由空间中传输时能够在不借助任何光学元件的条件下产生特定的光场强度分布,在光通信、光束整形、激光武器和光学操控等方面有着巨大的应用前景。特殊关联部分相干光束经大气湍流的传输特性也成为研究的热点。本论文主要是设计具有特殊关联结构的部分相干光束模型,并采用non-Kolmogorov功率谱模型,研究特殊关联部分相干光束在大气湍流中的传输特性,具体研究工作概述如下。构建了一种特殊关联部分相干光束的理论模型—非均匀部分相干厄米高斯光束。相比于非均匀关联光束,该光束的相干度分布额外受厄米函数的调制。基于广义惠更斯—菲涅尔原理,研究了非均匀部分相干厄米高斯光束在自由空间中的传输特性,发现其具有聚焦和横向平移特性,并且聚焦光斑横向尺寸小于非均匀关联光束。另外,聚焦轮廓还可由厄米阶次进行调控。在此基础上,研究了湍流对空间光束的影响。研究结果在光束整形、粒子捕获方面具有潜在应用价值。研究了多sinc谢尔模光束在non-Kolmogorov湍流中的传输特性。自由空间中,选取不同的初始参数,远场强度可呈现平顶、单环中空和多环的轮廓。基于广义惠更斯—菲涅尔原理和Wigner分布函数的二阶矩理论,推导了多sinc谢尔模光束在non-Kolmogorov湍流中方均根角宽和传输因子的解析表达式,对不同远场强度轮廓间光束的传输质量进行对比分析。结果表明,远场强度呈现单环中空轮廓的多sinc谢尔模光束对湍流的抵抗力优于远场呈现平顶以及多环的情况,并且中空半径越大,优势越明显。此外,多sinc谢尔模光束受湍流的影响小于传统高斯谢尔模光束。研究结果为多sinc谢尔模光束在自由空间光通信领域的应用提供了理论基础。研究了高斯谢尔模阵列光束在non-Kolmogorov湍流中的传输特性。阵列光束多用于高功率、高强度激光系统中,大多都是基于离轴光束的相干或非相干叠加构成的。这类光束在初始平面呈现阵列型强度轮廓,随着传播距离的增加,子光束间光场相互叠加,阵列轮廓很快消失。而高斯谢尔模阵列光束,在其特殊相关函数的调制下,远场呈现可调控的阵列强度轮廓,并且在一定传输距离内,阵列轮廓能够保持不变。基于Wigner分布函数的二阶矩理论,推导了高斯谢尔模阵列光束在non-Kolmogorov湍流中传输因子的解析表达式,具体分析了光束参数及湍流参数对光束质量的影响。与传统高斯谢尔模光束以及由离轴高斯谢尔模光束叠加构成的阵列光束相比,高斯谢尔模阵列光束在大气湍流中传输更具优势,并且增大光束的阵列维度以及阵列中子光束间的间距,该优势进一步提升。研究了矢量同心环谢尔模光束在non-Kolmogorov湍流中的传输因子。在特殊相关函数作用下,该光束远场强度呈现可调控的同心环轮廓。采用nonKolmogorov湍流模型,基于Wigner分布函数的二阶矩理论,推导了矢量同心环谢尔模光束传输因子的解析表达式。模拟结果表明,选取合适光束初始参数,矢量同心环谢尔模光束对湍流的抵抗力优于相应标量的情况,且在较强起伏的湍流条件下,该优势更明显。与电磁高斯谢尔模光束以及多sinc谢尔模光束相比,矢量同心环谢尔模光束受湍流的影响更小。
【学位授予单位】:哈尔滨工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:O43

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