光束在湍流大气中的传输

论文摘要

激光在光通信、遥感、监测等方面具有越来越广泛的应用,因而关于激光光束在大气湍流中传输特性的研究具有非常重要的意义。由于湍流扰动的影响,光束在大气中传输会发生光强起伏变化、像点抖动、光束扩散等大气湍流效应。正是这些湍流效应的影响,在大气中传输的光束质量会大大降低。如何减少湍流大气对光束的影响已成为一个重要的研究课题。寻求一种特殊的光束以减少湍流效应一直是广大学者的研究方向,许多不同激光束在湍流中传输特性的研究已见诸报端。本文对大气湍流的基本理论进行了简要的叙述,介绍了湍流大气的相关参数及几种主要的大气折射率功率谱模型,对湍流效应中的光强起伏即闪烁指数的计算进行了介绍,为研究光束在湍流大气中的传输做了理论准备。结合鬼成像的实际应用中的大气环境,对湍流大气中部分相干光的鬼成像进行了理论研究,根据经典光相干理论和广义惠更斯-菲涅尔积分,得到了在大气湍流环境中部分相干光的鬼成像解析公式,分析了光源相干长度、传输距离、湍流强度对鬼成像质量的影响。研究表明:光源光斑越大,鬼成像质量越好;而湍流强度、光源相干长度及光源与待成像物体间距离的增加,均会降低鬼成像质量。具有螺旋相位因子的光束被称为涡旋光束,涡旋光束中的光子携带有轨道角动量,可以利用光子的轨道角动量进行信息编码,并应用于自由空间光通讯,因而研究涡旋光束在大气湍流中的传输特性具有重要的意义。本文利用闪烁指数测量仪测量了涡旋光束闪烁指数,并比较了高斯光束和不同拓扑荷数涡旋光束的闪烁指数变化,分析了拓扑荷数对闪烁指数的影响。实验表明:在相同湍流环境下,涡旋光束闪烁指数比高斯光束闪烁指数小,且拓扑荷数越大,光束的闪烁指数越小。高阶高斯贝塞尔光束同时具有无衍射特性和携带轨道角动量,其产生和传输也引起了学者的极大兴趣,利用空间光调制器和轴棱锥产生的高阶高斯贝塞尔光束,论文分析了高阶高斯贝塞尔光束在模拟大气湍流中的传输。研究表明:由于大气湍流的影响,即使在无衍射区内,高斯贝塞尔光束也会发生扩束现象,而轨道角动量的存在会降低湍流对光束的影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 研究背景
• 1.2 论文研究内容及章 节安排
• 第二章 大气湍流概述
• 2.1 大气湍流的描述
• 2.2 大气湍流折射率功率谱模型
• 2.3 大气湍流闪烁效应
• 2.4 光束在大气湍流中传输的研究方法
• 2.5 本章小结
• 第三章 部分相干光束在大气湍流中的鬼成像研究
• 3.1 鬼成像理论
• 3.2 部分相干光在大气湍流中的鬼成像
• 3.3 数据分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 涡旋光束闪烁指数的测量
• 4.1 涡旋光束及其产生
• 4.2 涡旋光束闪烁指数的测量
• 4.2.1 闪烁测量仪
• 4.2.2 涡旋光束闪烁指数
• 4.4 本章小结
• 第五章 高阶高斯贝塞尔光束在湍流大气中的传输
• 5.1 高阶高斯贝塞尔光束的产生及实验装置
• 5.2 实验分析
• 5.3 本章小结
• 第六章 全文结论
• 参考文献
• 作者在读期间发表论文
• 致谢