Airy光束的傍轴度及其在大气湍流中的传输特性研究

论文摘要

激光空间传输问题是有实际应用意义的研究领域,特别是近年来Airy光束以其优异特性引起了人们高度关注。激光束在空间传输傍轴特性好坏,直接影响其光强变化和应用。大气湍流会降低激光传输质量,破坏无线光通讯的稳定性,增大信道误码率。激光束的大气湍流传输特性是空间通信系统重要的优劣评价指标。因此研究类Airy光束的空间傍轴传输特性和大气湍流传输特性具有重要现实意义。以完全和部分相干Airy涡旋光束为研究对象,从自由空间光源平面电场出发,运用角谱理论和单色光傍轴度定义推导了完全相干Airy涡旋光束傍轴度的理论解析式;运用交叉谱密度、谢尔模型和单色光傍轴度定义,推导出了部分相干Airy涡旋光束傍轴度的理论解析表达式。系统分析了光参数、光涡旋对Airy涡旋光束傍轴特性的影响规律;对于部分相干Airy涡旋光束,还强调了相干长度对其傍轴度的影响。研究发现大的截断因子使完全相干Airy涡旋光束傍轴特性更好,但随着截断因子持续增加,拓扑电荷对傍轴度的影响消失。对于部分相干Airy涡旋光束,束宽因子、截断因子越大,傍轴度也越大。通过运用广义惠更斯-菲涅尔原理、Rytov相位近似和偏振-相干统一原理,从部分相干Airy-Gaussian（AiG）光束源平面电场出发,得到了大气湍流传输z平面处交叉谱密度,以此推导出该光束在湍流传输的偏振度理论解析表达式。对比分析了水平湍流和斜程湍流下其偏振度受各个光参数的影响。研究表明:AiG光束偏振度在远场湍流传输都会恢复到初始值,斜程湍流下恢复到初始值需要更长的传输距离。水平湍流中,偏振度的起伏变化随湍流强度的增大而变小。天顶角、接收高度、截断因子、分布因子越大和相干长度越小时,此时AiG光束有更大的偏振度峰值。相同条件下相比水平湍流和斜程湍流,AiG光束在斜程湍流中有更大的峰值偏振度,并在长距离的传输后骤然恢复到初始值。同时以交叉谱密度为基础,讨论了AiG光束均方根束宽、角展宽、质心位移、光强演化、陡峭度、Strehl比等湍流传输特性参数变化情况。模拟仿真发现:湍流强度越大,AiG光束的束展宽和质心位移变化越明显;当a＜ac时,传输距离更短的情况下能获得更好的角展宽;斜程湍流相比水平湍流对对光强影响较小;随着传输距离的增加,大气湍流中的AiG光束K参数趋近Kx=3。而大的湍流强度使Strehl比迅速降低。本课题的理论模型建立和模拟分析,为类Airy光束选取合适参数获得好的傍轴特性及选定合适光参数以减弱大气湍流影响提供了理论根据。

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ABSTRACT

第一章绪论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.2.1 Airy光束傍轴性的研究进展

1.2.2 Airy光束在湍流大气的传输研究进展

1.3 研究意义

第二章理论基础

2.1 傍轴度

2.2 大气湍流

2.2.1 大气湍流描述

2.2.2 折射率功率谱密度函数

2.2.3 大气折射率结构常数

2.3 准单色光的偏振度

2.3.1 偏振矩阵定义偏振度

2.3.2 斯托克斯参量定义偏振度

2.4 Airy光束

第三章 Airy涡旋光束傍轴度

3.1 Airy涡旋光束

3.2 完全相干Airy涡旋光束傍轴度

3.2.1 理论分析

3.2.2 数值计算分析

3.3 部分相干Airy涡旋光束傍轴度

3.3.1 理论分析

3.3.2 数值计算与分析

第四章 Airy-Gaussian光束在大气湍流中传输特性

4.1 Airy-Gaussian光束

4.2 部分相干AiG光束传输特性

4.2.1 AiG光束偏振度

4.2.2 AiG远场光束展宽

4.2.3 AiG光角展宽

4.2.4 AiG光束质心

4.2.5 AiG光束在湍流中光强演化

4.2.6 AiG光束陡峭度（K参数）分析

4.2.7 AiG光束Strehl比

4.3 数值计算与分析

第五章结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

作者在读期间科研成果简介

致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 卢刚

导师: 程科

关键词: 光束,傍轴度,光涡旋,大气湍流,偏振度

来源: 成都信息工程大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 力学,物理学,无线电电子学

单位: 成都信息工程大学

分类号: TN24;O357.5

DOI: 10.27716/d.cnki.gcdxx.2019.000181

总页数: 66

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