激光大氣傳輸中的相位奇點(diǎn)和光學(xué)渦旋及其演化特性研究.pdf

1、激光在湍流大氣中傳輸時(shí)，光波的振幅和相位會(huì)發(fā)生隨機(jī)起伏，導(dǎo)致接收平面處光場(chǎng)的光強(qiáng)起伏及相位畸變等。在強(qiáng)湍流效應(yīng)條件下，畸變光場(chǎng)中會(huì)出現(xiàn)一些光強(qiáng)為零且相位不確定的點(diǎn)，這些點(diǎn)被稱為相位奇點(diǎn)。相位奇點(diǎn)的存在給傳統(tǒng)自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的波前測(cè)量和校正帶來(lái)很大困難，從而給天文觀測(cè)、激光通訊、激光武器等眾多的工程應(yīng)用帶來(lái)挑戰(zhàn)。為了提高自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的校正能力，有必要對(duì)激光大氣傳輸中的相位奇點(diǎn)演化特性展開研究。
　　中心光強(qiáng)為零且攜帶有相位奇點(diǎn)的渦旋

2、光束因其特有的性質(zhì)受到人們的廣泛關(guān)注。當(dāng)渦旋光束在湍流大氣中傳輸時(shí)，傳輸介質(zhì)會(huì)引起光強(qiáng)起伏、光束擴(kuò)展以及光學(xué)渦旋的漂移等。另外，渦旋光束的拓?fù)浜煽梢宰鳛樾畔⒌妮d體用于自由空間光通信中。因此，有必要研究渦旋光束在湍流大氣中的光強(qiáng)分布、光束擴(kuò)展以及光學(xué)渦旋的演化特性等。
　　本論文首先研究了激光在大氣中水平、斜程、上行和下行傳輸時(shí)，受湍流擾動(dòng)的畸變光場(chǎng)中產(chǎn)生的相位奇點(diǎn)的演化特征；然后以拉蓋爾-高斯渦旋光束為例，系統(tǒng)研究了渦旋光束在湍流

3、大氣中傳輸時(shí)的光強(qiáng)分布、光束擴(kuò)展、渦旋光束拓?fù)浜傻拇_定和光學(xué)渦旋的漂移等傳輸特性；最后簡(jiǎn)單探討了無(wú)衍射貝塞爾光束在湍流大氣中的束寬擴(kuò)展和相位奇點(diǎn)數(shù)密度的變化特性。主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)論如下：
　　1.數(shù)值模擬了激光在大氣中傳輸時(shí)，受湍流擾動(dòng)的畸變光場(chǎng)中產(chǎn)生的相位奇點(diǎn)的演化特征。模擬結(jié)果顯示，相位奇點(diǎn)會(huì)成對(duì)產(chǎn)生；極性相反的相位奇點(diǎn)對(duì)會(huì)隨著波前向前傳播；相位奇點(diǎn)對(duì)的相對(duì)位置和間距在傳播過(guò)程中會(huì)發(fā)生變化；相位奇點(diǎn)也會(huì)成對(duì)地湮滅。
　　

4、2.數(shù)值模擬了激光在湍流大氣中水平傳輸時(shí)產(chǎn)生的相位奇點(diǎn)數(shù)密度與湍流效應(yīng)特征參數(shù)的關(guān)系，這些參數(shù)包括傳輸距離，湍流強(qiáng)度，激光波長(zhǎng)、湍流內(nèi)尺度和外尺度等。計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)其他傳輸條件一定時(shí)，相位奇點(diǎn)數(shù)密度分別隨傳輸距離的增加和湍流強(qiáng)度的增強(qiáng)而增加，隨湍流內(nèi)尺度和激光波長(zhǎng)的增加而降低；而相位奇點(diǎn)數(shù)密度基本不受湍流外尺度的影響。
　　3.數(shù)值模擬了激光在湍流大氣中水平傳輸時(shí)兩種傳輸條件下的相位奇點(diǎn)數(shù)密度的變化過(guò)程。一種是湍流較弱但傳輸距離

5、很長(zhǎng)；另一種是傳輸距離較短但湍流很強(qiáng)，這兩種情況下均能產(chǎn)生強(qiáng)湍流效應(yīng)。結(jié)果表明，湍流強(qiáng)度對(duì)相位奇點(diǎn)數(shù)密度的影響要大于傳輸距離對(duì)相位奇點(diǎn)數(shù)密度的影響；不同傳輸條件下產(chǎn)生的相位奇點(diǎn)數(shù)密度隨Rytov指數(shù)的變化過(guò)程有所不同，但它們之間的關(guān)系比較符合Logistic統(tǒng)計(jì)公式。
　　4.模擬了激光在湍流大氣中自地面向空中垂直上行傳輸時(shí)畸變光場(chǎng)中出現(xiàn)的相位奇點(diǎn)數(shù)密度隨傳輸高度的變化過(guò)程。在傳輸高度一定的情況下，主要模擬了兩種激光傳輸過(guò)程：一種

6、是固定發(fā)射激光的波長(zhǎng)，變化傳輸路徑中的湍流強(qiáng)度；另一種是固定傳輸路徑中的湍流強(qiáng)度，變化發(fā)射激光的波長(zhǎng)。結(jié)果表明，相位奇點(diǎn)數(shù)密度隨傳輸高度的增加其變化過(guò)程可以分成四個(gè)不同的區(qū)域；當(dāng)發(fā)射激光的波長(zhǎng)一定時(shí)，近地面處的湍流強(qiáng)度不同對(duì)應(yīng)的相位奇點(diǎn)數(shù)密度達(dá)到峰值時(shí)的傳輸高度也是不同的，湍流越強(qiáng)，相位奇點(diǎn)數(shù)密度的峰值越高，其對(duì)應(yīng)的傳輸高度卻越低；當(dāng)湍流強(qiáng)度的分布一定時(shí)，畸變光場(chǎng)中的相位奇點(diǎn)數(shù)密度達(dá)到峰值時(shí)對(duì)應(yīng)的傳輸高度基本不受激光波長(zhǎng)的影響。另外，通

7、過(guò)對(duì)模擬結(jié)果的曲線擬合發(fā)現(xiàn)，不同條件下的相位奇點(diǎn)數(shù)密度隨傳輸高度的變化關(guān)系非常類似于黑體輻射公式。
　　5.模擬了激光在湍流大氣中自地面向空中斜程傳輸時(shí)，相位奇點(diǎn)數(shù)密度的變化特征。結(jié)果表明，斜程傳輸時(shí)的相位奇點(diǎn)數(shù)密度隨傳輸距離的變化過(guò)程非常類似于上行傳輸時(shí)相位奇點(diǎn)數(shù)密度隨傳輸高度的變化過(guò)程；固定近地面處的湍流強(qiáng)度，當(dāng)傳輸距離一定時(shí)，光束的發(fā)射天頂角越大，畸變光場(chǎng)中出現(xiàn)的相位奇點(diǎn)數(shù)密度越大且相位奇點(diǎn)數(shù)密度達(dá)到極大值時(shí)對(duì)應(yīng)的傳輸距離越

8、長(zhǎng)；當(dāng)發(fā)射天頂角和傳輸距離一定時(shí)，近地面處的湍流強(qiáng)度越強(qiáng)，畸變光場(chǎng)中產(chǎn)生的相位奇點(diǎn)數(shù)密度越大。
　　6.模擬了激光在湍流大氣中自空中某一高度垂直下行傳輸至地面時(shí)，畸變光場(chǎng)中產(chǎn)生的相位奇點(diǎn)數(shù)密度的變化特征。結(jié)果表明，光源位置距離地面越高，在較高位置處的畸變光場(chǎng)中就會(huì)有相位奇點(diǎn)產(chǎn)生，且到達(dá)地平面處時(shí)的畸變光場(chǎng)中產(chǎn)生的相位奇點(diǎn)數(shù)密度越大；相位奇點(diǎn)數(shù)密度隨高度的降低而單調(diào)增加且在接近地平面處達(dá)到最大值。
　　7.以拉蓋爾—高斯（LG

9、）光束為例，模擬了渦旋光束在湍流大氣中傳輸時(shí)在垂直于傳輸方向的平面內(nèi)的光強(qiáng)分布。結(jié)果表明：當(dāng)渦旋光束在湍流大氣中傳輸時(shí)，光強(qiáng)由最初的中空光束演變?yōu)槠巾敼馐?，并最終在遠(yuǎn)場(chǎng)演變?yōu)楦咚构馐９鈴?qiáng)廓線的演變過(guò)程以及相位奇異性的消失與傳輸距離、湍流強(qiáng)弱、湍流外尺度、渦旋光束拓?fù)浜蓴?shù)、光束的束腰寬度以及光束的波長(zhǎng)有關(guān)，而與湍流的內(nèi)尺度無(wú)關(guān)。對(duì)于同一渦旋光束，傳輸距離越遠(yuǎn)、湍流越強(qiáng)以及湍流外尺度越大，光強(qiáng)分布受到的影響越大。對(duì)于不同的渦旋光束，拓?fù)浜?/p>

10、數(shù)越高、束腰越窄以及波長(zhǎng)越長(zhǎng)，光強(qiáng)分布受到的影響越小，在湍流大氣中越易于保持其原有的光強(qiáng)和相位分布特性。
　　8.數(shù)值模擬了大氣湍流對(duì)渦旋光束束寬擴(kuò)展的影響。結(jié)果表明：傳輸距離越長(zhǎng)或湍流越強(qiáng)，渦旋光束在湍流大氣中傳輸時(shí)的束寬擴(kuò)展受湍流的影響越大；渦旋光束的拓?fù)浜蓴?shù)越高、光束的束腰越小或光波的波長(zhǎng)越長(zhǎng)，束寬擴(kuò)展受大氣湍流的影響反而越小；隨著湍流內(nèi)尺度的減小或湍流外尺度的增加，大氣湍流對(duì)光束擴(kuò)展的影響會(huì)有所增加，但影響幅度相對(duì)較小。另

11、外，還比較了渦旋光束和普通高斯光束因湍流引起的光束擴(kuò)展的差異。結(jié)果表明大氣湍流對(duì)普通高斯光束束寬擴(kuò)展的影響要大于對(duì)渦旋光束束寬擴(kuò)展的影響。
　　9.通過(guò)數(shù)值分析接收面內(nèi)相位奇點(diǎn)拓?fù)浜傻拇鷶?shù)和（簡(jiǎn)稱為AS-PS），得出AS-PS近似等于入射渦旋光束拓?fù)浜傻慕Y(jié)論。提出了一種在湍流大氣中確定渦旋光束拓?fù)浜傻姆椒ā辔黄纥c(diǎn)代數(shù)和法。該方法可以有效的消除湍流的影響并減小確定拓?fù)浜傻恼`差。研究了傳輸參量、光束參量以及探測(cè)系統(tǒng)的口徑等對(duì)確定A

12、S-PS的影響。結(jié)果表明：渦旋光束在湍流大氣中的傳輸距離越短、湍流強(qiáng)度越弱、入射渦旋光束的拓?fù)浜稍降?，利用該方法確定渦旋光束拓?fù)浜傻臉?biāo)準(zhǔn)偏差越小；合理選擇渦旋光束的束腰也會(huì)增加該方法的準(zhǔn)確性；探測(cè)口徑近似等于渦旋光束傳輸至探測(cè)面上的主光斑尺寸時(shí)，相位奇點(diǎn)代數(shù)和與入射渦旋光束拓?fù)浜傻南鄬?duì)誤差最小，該結(jié)論可以給探測(cè)器口徑的定量設(shè)計(jì)提供一定的參考依據(jù)。
　　10.通過(guò)模擬光學(xué)渦旋在接收面的不同位置出現(xiàn)的頻次研究了湍流大氣中光學(xué)渦旋的漂移

13、特性。由模擬結(jié)果可知，光學(xué)渦旋在接收面的不同位置出現(xiàn)的頻次或概率滿足高斯分布。隨著傳輸距離的增加、湍流的增強(qiáng)或入射渦旋光束拓?fù)浜傻脑黾?，光學(xué)渦旋位置的統(tǒng)計(jì)特性不再滿足高斯分布。另外，適當(dāng)選擇入射渦旋光束的束腰會(huì)減小光學(xué)渦旋的漂移。以上這些結(jié)論可以為渦旋光束在自由空間光通訊中的應(yīng)用提供一定的參考依據(jù)。
　　11.初步探討了貝塞爾光束在湍流大氣中傳輸時(shí)引起的束寬擴(kuò)展和相位奇點(diǎn)數(shù)密度的變化特性。結(jié)果表明，與零階貝塞爾光束和零階貝塞爾—高