湍流大气中涡旋光束的闪烁特性研究

作     者：罗佳雯 

作者单位：西安工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李亚清

授予年度：2024年

学科分类：080704[工学-流体机械及工程] 080103[工学-流体力学] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 0801[工学-力学（可授工学、理学学位）] 

主      题：湍流大气 广义惠更斯-菲涅尔原理 涡旋光束 轨道角动量谱 闪烁指数 

摘      要：研究湍流大气中涡旋光束闪烁的特性,对激光通信、激光雷达、光场调控等方面有着重要的意义。本文针对湍流大气中涡旋光束的闪烁特性进行了研究,主要工作如下: 1.数值模拟拉盖尔-高斯涡旋光束与平面波和球面波的干涉,形成了拉盖尔-高斯涡旋光束与平面波的干涉条纹。然后搭建实验平台,将干涉条纹加载到空间光调制器上,便产生了拉盖尔-高斯涡旋光束。通过改变加载到空间光调制器上的图样,在接收面得到不同拓扑荷、径向模指数下的拉盖尔-高斯涡旋光斑,并对拉盖尔-高斯涡旋光束的相位分布进行了分析。 2.基于拉盖尔-高斯模和厄米-高斯模之间相互转换的关系,将拉盖尔-高斯涡旋光束展开成多厄米-高斯子波束。采用惠更斯-菲涅尔原理,推导了非傍轴条件下多厄米-高斯子波束在真空中传输时接收面处的场分布表达式。采用数值分析方法对真空传输过程中不同传输距离和拓扑荷下的多厄米-高斯子波束的强度和相位分布进行了分析。在短距离传输范围内,多厄米-高斯子波束在主扇位区域具有高光强能量集中,可以用于精确的光学操控。随着传输距离的增大,子波束场的等相位线由直线变为平滑的弧线。在远距离传输时,非傍轴近似多厄米-高斯子波束的相位变化远远小于傍轴近似拉盖尔-高斯光束的相位分布。采用分布傅里叶算法,数值模拟了大气湍流中多厄米-高斯子波束的螺旋谱分布和平均强度、波束扩展、闪烁指数随传输距离的变化,并和拉盖尔-高斯涡旋光束在大气湍流中的传输特性进行了比较。随着传输距离的增大,多厄米-高斯子波束的平均强度总是大于拉盖尔-高斯涡旋光束,湍流效应小于拉盖尔-高斯涡旋光束,且螺旋谱分布受湍流的影响比拉盖尔-高斯光束小。 3.采用数值模拟法研究了湍流大气中非对称幂指数相位涡旋光束在不同传输距离下的光强、相位和螺旋谱分布特性。对大气湍流中不同束腰半径、波长、幂指数及拓扑荷下的非对称幂指数相位涡旋光束的平均强度、波束扩展半径和闪烁指数进行了分析。幂指数越大,平均强度越大,且幂指数大的波束更适合远距离传输。幂指数、束腰半径越大,拓扑荷数、波长越小,波束在湍流大气中的扩展效应越小。束腰半径、波长、幂指数、拓扑荷越大,湍流引起的闪烁效应就越小。 以上结论表明:基于多厄米-高斯子波束展开的涡旋光束更适合远距离传输。关于湍流大气中非对称幂指数相位涡旋光束的研究结果可为减小湍流大气对波束的扩展效应及闪烁效应的影响提供参数选择的理论指导。