FSO系统中阵列光束在大气湍流中的传输特性研究

作     者：张雅 

作者单位：西安理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：柯熙政

授予年度：2017年

学科分类：08[工学] 0803[工学-光学工程] 

主      题：阵列光束 平均光强 湍流距离 瑞利区间 桶中功率 自耦合特性 

摘      要：随着深空探测和星地通信的快速发展,人们对光通信距离提出了越来越高的要求,而仅仅通过增大单激光器功率来满足通信需求是很困难的,所以为了获得大功率、高质量的激光束输出,人们提出了阵列光束合成技术。近年来,随着光束合成技术的不断成熟和相关理论的逐渐完善,自由空间光通信(Free-Space Optical Communication, FSO)系统的传输距离和光束质量取得了巨大突破,对阵列光束传输特性的研究也引起了人们的广泛关注。本文主要围绕阵列光束在大气湍流中的传输特性展开研究,其中的主要工作包括:1.根据广义Huygens-Fresnel原理和修正von Karman谱模型,推导了 FSO系统中部分相干高斯-谢尔模型(Gaussian-Schell Model,GSM)阵列光束通过大气湍流传输时的光强分布、均方根束宽和桶中功率(Power in the bucket,PIB)解析表达式,针对不同影响因子下的变化情况进行了分析。2.根据非Kolmogorov大气湍流谱模型,推导了径向分布部分相干GSM阵列光束在非Kolmogorov大气湍流中传输时经相干和非相干合成后瑞利区间和湍流距离的解析表达式,并数值分析了其随湍流参量和光束参量的变化情况。3.根据广义Huygens-Fresnel原理和修正von Karman谱模型,推导了径向分布高斯阵列光束经非相干合成后在大气湍流中传输时的光强分布解析表达式,研究了阵列光束自耦合特性随传输距离和径向分布半径的变化情况,并对完全相干和不同参数的部分相干阵列光束在大气湍流中的光斑变化进行了实际测量。实验结果表明:部分相干和完全相干阵列光束在大气传输过程中,当到达某一距离时能合成一束,且完全相干比部分相干阵列光束的自耦合特性要好,但光强值更小;相同传输条件下,部分相干阵列光束的相干长度、湍流内尺度越小或大气折射率结构常数越大,阵列光束的自耦合特性越好,但光强值越小;湍流外尺度对光强分布和自耦合特性的影响很小,可以忽略;相同传输条件下,径向分布半径越小,阵列光束的自耦合特性越好。