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湍流对多色部分相干电磁光束传输特性影响

杨帆  
【摘要】: 激光大气传输的研究在遥感、跟踪和远距离光通讯等领域中都有十分重要的意义。大量理论和实验研究表明,大气湍流会导致光束扩展,并且部分相干光较完全相干光的光束扩展受大气湍流的影响要小,此外,大气湍流还会改变光束的偏振、光谱和相干等特性。本文基于广义惠更斯-菲涅尔原理,相干性和偏振性统一的理论,并采用Rytov相位结构函数二次近似,以部分相干电磁平顶光束为例,研究了多色部分相干电磁光束通过大气湍流传输的偏振度、相干度、光谱强度和总光强分布。主要内容为: 1.推导出多色部分相干电磁平顶光束通过湍流大气传输光束偏振度的解析表达式。研究表明,多色部分相干电磁平顶光束的偏振度与源光谱带宽无关。在自由空间中,光束经过长距离传输后,不同阶数、光斑大小、相干长度的偏振度达到各自不同的极限值。在大气湍流中,不同阶数、光斑大小、相干长度的光束经过足够长的传输距离后其偏振度均趋于入射平面处的初始值。 2.推导出多色部分相干电磁平顶光束通过湍流大气传输光束相干度的解析表达式。研究表明,多色部分相干电磁平顶光束通过大气湍流传输其相干度与源光谱带宽无关。在自由空间中,相干度出现振荡和相位奇异现象。大气湍流使得多色部分相干电磁平顶光束与EGSM光束相干度的差别减小,并导致相干度的振荡和相位奇异现象消失。 3.推导出了多色部分相干电磁平顶光束通过湍流大气传输光谱强度的解析表达式。研究表明,多色部分相干电磁平顶光束通过湍流大气传输其光谱强度与源光谱带宽有关。在自由空间中,轴上点光谱为蓝移,随着离轴距离的增大,光谱由蓝移逐渐变为红移,轴外点存在多阶光谱跃变现象。大气湍流使得光谱位移量减小,光谱跃变消失。多色光束带宽越大,光谱的位移量越大。大气湍流使得带宽对光谱特性的影响减小。 4.得到了多色部分相干电磁平顶光束通过湍流大气传输总光强的表达式。研究表明,多色部分相干电磁平顶光束通过大气湍流传输其总光强与源光谱带宽有关。大气湍流使得总光强达到峰值的传输距离减小,衰减变快。带宽越大,总光强峰值越大,受大气湍流削弱程度越大。大气湍流使得带宽对总光束扩展的影响减小。


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