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受限高斯光束大气传输特性分析与数值模拟研究

王帅  
【摘要】:激光被广泛应用于大气通讯、激光雷达、激光制导、激光测距、激光目标识别等现代大气空间技术中,然而大气对激光在中长距离传输时的影响严重限制了各种激光系统的使用性能。而且在实际的应用中,激光光束在传输过程中往往由于受到透镜等光学元件和光阑的限制和影响而对激光光束产生影响,因而研究激光在大气湍流中的传输具有重要的理论与实际意义。 本文基于扩展的惠更斯-菲涅尔原理,利用Rytov近似推导出了轴上平均光强的解析表达式,通过数值计算的方法分析了大气湍流中圆形孔径限制对光束的影响,模拟了光强随传播距离的变化。利用ZEMAX软件模拟了通过透镜的高斯光束的变化,并说明了透镜对高斯光束的作用,主要起到了限制光束和改变光束的相位。在此基础上讨论了透过光阑的同时再通过透镜时的光束变化,得到了轴上平均光强的解析表达式,运用Matlab模拟了不同的湍流强度、孔径大小和波长情况下轴上的平均光强的变化。结果表明,轴上平均光强在近场时发生振荡,其振荡幅度随着湍流强度和发射孔径的增大而降低,振荡周期随着传播距离的增大而增大;在远场随着距离的增大,振荡逐渐消失,平均光强平滑下降,最后一个平均光强极大值的位置与湍流光强和波长成反比,与发射孔径成正比。最后研究了有像差的部分平顶高斯光束在湍流中的传输特性。从而为实际应用激光光束在大气中传输提供了理论指导,对于自由空间光通信和探测接受的应用具有一定的指导意义。


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