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激光光束在非Kolmogorov湍流中传输特性的研究

徐华锋  
【摘要】:激光束在自由空间光通信和遥感等方面具有重要实际应用,光束在大气湍流中的传输性质受到众多学者的广泛关注。长期以来,对光束在大气湍流中传输特性的研究均是围绕着Kolmogorov起伏折射率功率谱(K谱)的湍流理论而进行的,且该模型已被广泛接受。然而,近年来国内外实验报道K谱湍流理论有时不能完全准确地描述大气湍流的统计规律,尤其是在对流顶层和平流层,实验数据较大程度地偏移了K谱湍流模型。为全面了解大气湍流对空间光通信的影响,很有必要研究non-Kolmogorov(非K谱)湍流对光束传输的影响。鉴于此,本文基于non-Kolmogorov起伏折射率功率谱湍流模型,具体研究了复宗量拉盖尔高斯光束和部分相干高阶双曲余弦高斯光束在非K谱湍流中的传输特性,并进行相应的数值计算和分析,所得结果对实际光通讯有一定的理论参考价值。主要内容如下: (1)基于拓展的惠更斯-菲涅尔原理,理论推导了复宗量拉盖尔-高斯光束在非K谱湍流中传输时,平均光强和方均根束宽的解析表达式,并数值计算了光束参数和湍流参数对复宗量拉盖尔高斯光束的平均光强和方均根束宽演化的影响。 (2)基于拓展的惠更斯-菲涅尔原理以及相干性和偏振性统一理论,推导了部分相干复宗量拉盖尔-高斯光束在非K谱湍流中交叉谱密度矩阵元、偏振度和相干度的解析表达式,数值计算了光束阶数、起始相干度和湍流的内外尺度对光束的偏振度和相干度的影响,并进行了相应的理论分析。 (3)基于拓展的惠更斯-菲涅耳原理和维格纳分布函数的二阶矩理论,推导了部分相干高阶双曲余弦高斯光束在非K谱湍流中传输时其平均光强、方均根束腰和光束传输质量(M2因子)的解析表达式。研究了该光束在湍流大气中的传输特性,并分析比较了K谱湍流与非K谱湍流对该光束传输特性的不同影响。


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