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偏振激光在大气传输中的漂移及扩展特性研究

王菲  
【摘要】:激光在大气湍流中的传输特性问题在理论和实际应用方面得到了广泛的研究,目前多集中于研究激光在水平以及斜程湍流的传输中光束的扩展和漂移等特性。迄今为止的工作大都是研究激光波束在湍流中传输时引起的高斯—谢尔模型光束(GSM)扩展和漂移,很少有相关理论讨论偏振光束在湍流中传输时光束的湍流效应,而光束的偏振方面也部分研究出电磁高斯—谢尔模型光束(EGSM)(?)光束的相干性和偏振性。当使用偏振激光时,要提高自由空间光通信、激光雷达、激光测距等系统的性能或者激光准直、激光定位的精确度,就必须考虑大气湍流对激光光束产生的扩展、漂移等现象的影响。 本文的研究主要以部分相干源,即具有高斯型光强分布和相干性分布的GSM为研究对象,基于广义Huygens—Fresnel原理,利用Collins公式,讨论了偏振部分相干激光波束在湍流大气中传输的交叉谱密度函数,推导出经过起偏的高斯—谢尔模型光束(GSM)在外场不同距离水平传输时,光谱强度、束腰宽度、重心位置漂移以及波束偏振度的解析表达式。对偏振激光在大气湍流中传输时光束的扩展和漂移变化以及偏振度进行数值仿真,得到相同传输距离下,不同的偏振角、不同初始束腰以及不同波长波束的扩展和漂移影响以及退偏变化;同时分析了相同的偏振角度下,不同的传输距离对光束扩展和漂移以及偏振度的影响。 通过分析偏振激光波束产生的扩展、漂移和退偏特性,可以得出:在大气湍流中传输时,当波束初始束腰w0≥5mm时,偏振部分相干激光波束自身特性的变化对于波束的扩展和漂移是不产生影响的,并且对于不同波长的偏振部分相干激光波束,其扩展和漂移的变化相对于部分相干激光波束较小;偏振部分相干激光波束比部分相干激光波束在大气湍流中传输的退偏变化更具有规律性和稳定性,退偏现象表现得更加持久,并且初始束腰宽度的变化对偏振部分相干激光偏振度产生影响,但对部分相干波束偏振度的变化几乎不产生任何影响。 研究结论充分说明偏振激光比一般的部分相干激光波束在传输中波束扩展和漂移的质量上具有较强优势,能够对偏振激光在外场大气传输的研究提供理论依据,在光通信和目标识别中具有重要意义。


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