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部分相干光束旋转多普勒效应的理论研究

厦门大学学报（自然科学版） 2023年第4期62卷 494-499页

作者：张浩唐方清张武虹任元陈理想厦门大学物理科学与技术学院福建厦门361005 航天工程大学基础部北京怀柔101400

由于部分相干光较相干光更易获得,且在遥感探测中受大气湍流的影响更小,因此部分相干光的旋转多普勒效应研究更具应用价值.为了丰富部分相干光旋转多普勒效应的研究,本文基于高斯-谢尔模交叉谱密度函数,理论计算了部分相干光束经过旋转... 详细信息

由于部分相干光较相干光更易获得,且在遥感探测中受大气湍流的影响更小,因此部分相干光的旋转多普勒效应研究更具应用价值.为了丰富部分相干光旋转多普勒效应的研究,本文基于高斯-谢尔模交叉谱密度函数,理论计算了部分相干光束经过旋转物体透射后探测光强的解析表达式,从而系统研究部分相干光的旋转多普勒效应.具体地,选用开口大小可调节的角掩膜,理论上模拟仿真探测光强信号的波形图随光场横截面相干度的变化关系,分析其频谱特性,并探究探测光强的可见度随相干度的变化关系及原因.理论模拟发现:相干度的变化不影响调制频率的大小,进而不影响测量旋转物体转速的准确性;大多数情况下光强信号的可见度会随着相干度的增大而增大,但在某些特殊情况下会存在零点.该理论研究为利用部分相干光的旋转多普勒效应来实现转动的远程遥感测速提供了理论依据.

关键词：部分相干光旋转多普勒效应轨道角动量交叉谱密度函数

大气湍流下部分相干涡旋光束经粗糙目标回波特性

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激光杂志 2023年

作者：吴鹏飞辛蕾王姣谭震坤西安理工大学自动化与信息工程学院陕西科技大学电子信息与人工智能学院西安工业大学光电工程学院

利用广义Huygens-Fresnel原理和随机高斯粗糙面模型，研究部分相干高斯-谢尔模型涡旋光束的回波特性，通过特殊积分推导出部分相干涡旋光束经随机粗糙面散射后到达接收端的交叉谱密度函数和光强解析式，并进行仿真分析。结果表明：随着... 详细信息

利用广义Huygens-Fresnel原理和随机高斯粗糙面模型，研究部分相干高斯-谢尔模型涡旋光束的回波特性，通过特殊积分推导出部分相干涡旋光束经随机粗糙面散射后到达接收端的交叉谱密度函数和光强解析式，并进行仿真分析。结果表明：随着拓扑荷数、束腰半径和相干长度的增加，光强自相关函数曲线下降的越来越陡峭；在强湍流环境下，自相关函数衰减越来越严重；内尺度会影响光强自相关函数，并且随着内尺度的增大而衰减严重，外尺度对其影响作用不大；随着粗糙目标相干长度的增大，光强自相关函数的半峰宽值逐渐趋增大。

关键词：光通信大气湍流随机高斯粗糙目标交叉谱密度函数散斑

高斯-谢尔模型阵列光束在湍流大气中的空间相干性

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红外与激光工程 2015年第1期44卷 305-309页

作者：卢芳韩香娥西安电子科技大学物理与光电工程学院陕西西安710071

基于广义Huygens-Fresnel原理和Rytov相位结构函数二次近似的方法,推导出了径向分布高斯-谢尔模(GSM)阵列光束在湍流大气中传输时的交叉谱密度函数解析表达式,并利用表征光束相干性的空间复相干度系数,详细分析了GSM阵列光束在大气湍流... 详细信息

基于广义Huygens-Fresnel原理和Rytov相位结构函数二次近似的方法,推导出了径向分布高斯-谢尔模(GSM)阵列光束在湍流大气中传输时的交叉谱密度函数解析表达式,并利用表征光束相干性的空间复相干度系数,详细分析了GSM阵列光束在大气湍流中传输时的空间相干性变化规律。研究结果表明:径向分布GSM阵列光束的空间相干性由子光束空间相干长度、传输距离、大气折射率结构常数及相对径向填充因子等因素共同确定;径向分布GSM阵列光束通过湍流大气时,其空间相干度在传输过程中会出现多峰值现象,但是随着传输距离增大,多峰值现象逐渐消失并趋向于高斯分布,并且随着距离增大空间相干度宽度逐渐减小,光束空间相干性变差。

关键词：空间相干度高斯- 谢尔模型阵列光束大气湍流交叉谱密度函数

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偏振部分相干激光在大气传输中的退偏特性

红外与激光工程 2012年第4期41卷 994-998页

作者：高明王菲西安工业大学光电工程学院

基于广义Huygens-Fresnel原理,利用Collins公式,讨论了偏振部分相干激光波束在湍流大气中传输的交叉谱密度函数,推导出经过偏振后的高斯-谢尔模型光束(GSM)在外场不同距离水平传输时波束偏振度的解析表达式。对偏振激光在大气湍流中传... 详细信息

基于广义Huygens-Fresnel原理,利用Collins公式,讨论了偏振部分相干激光波束在湍流大气中传输的交叉谱密度函数,推导出经过偏振后的高斯-谢尔模型光束(GSM)在外场不同距离水平传输时波束偏振度的解析表达式。对偏振激光在大气湍流中传输时光束的退偏变化进行数值仿真,得到相同传输距离下,不同的偏振角和初始束腰宽度对光束偏振度的影响;同时分析了不同波长激光的退偏现象以及相同的偏振角度下,不同的初始束腰宽度对波束偏振度的影响。研究结果表明,不同的偏振角对波束的退偏不产生影响;波长越大,波束在大气湍流中传输出现退偏的现象越迟缓;初始束腰越大,大气湍流对波束的退偏影响越快。由此得出:偏振部分相干激光波束比部分相干激光波束在大气湍流中传输的退偏变化更具有规律性和稳定性,退偏现象表现得更加持久,并且初始束腰宽度的变化对偏振部分相干激光偏振度产生影响,但对部分相干波束偏振度的变化几乎不产生任何影响。

关键词：偏振部分相干激光大气湍流交叉谱密度函数退偏偏振度

部分相干Airy光束在大气湍流中的扩展与漂移研究

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部分相干Airy光束在大气湍流中的扩展与漂移研究

作者：张林西安理工大学

学位级别：硕士

Airy光束因其具有横向加速、无衍射和自恢复的独特性质,在微粒控制、真空电子加速、医学和无线激光通信等领域受到了人们的广泛重视。Airy光束相较于其它光束在实现远距离传输时能够有效的抑制大气湍流,它在传输过程中相干性会变小,成... 详细信息

Airy光束因其具有横向加速、无衍射和自恢复的独特性质,在微粒控制、真空电子加速、医学和无线激光通信等领域受到了人们的广泛重视。Airy光束相较于其它光束在实现远距离传输时能够有效的抑制大气湍流,它在传输过程中相干性会变小,成为部分相干Airy光束。本文主要研究了部分相干Airy光束在大气湍流中传输时的扩展和漂移,并和高斯光束进行了比较。主要工作如下:(1)利用广义惠更斯-菲涅尔衍射积分公式,得到了部分相干Airy光束在大气中传输时的光束扩展表达式并进行了数值仿真与分析。(2)根据Andrews和phillips给出的适合所有湍流强度下的经典光束漂移模型,结合部分相干Airy光束的交叉谱密度函数和扩展解析式,得到了部分相干Airy光束在Tatarskii功率谱下的漂移方差表达式。分析了不同湍流强度、光束初始半径、相干长度和波长等多参数对Airy光束漂移方差的影响。(3)将部分相干Airy光束和高斯光束在不同的传输条件下的扩展和漂移进行了比较,结果表明在相同的条件下,部分相干Airy光束的扩展和漂移要比高斯光束的小。结果表明:随着传输距离的增加,部分相干Airy光束在大气湍流中传输时会发生扩展和漂移。光束初始半径和湍流强度的值越大,部分相干Airy光束的扩展也就严重,光束的主瓣会逐渐扩散,旁瓣会逐渐消失;光束初始半径和波长越小,部分相干Airy光束的漂移方差却越大;衰减因子是Airy光束一个特有的参数,它的值越大,光束的扩展效应和漂移方差越大。实验结果和部分仿真结果一致。

关键词：部分相干Airy光束大气湍流交叉谱密度函数光束扩展光束漂移

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多高斯谢尔模光束在随机介质中的传输

多高斯谢尔模光束在随机介质中的传输

作者：吴斐浙江大学

学位级别：硕士

Wolf教授于2003年提出了相干偏振统一理论,该理论指出光的相干和偏振是统计光学体系中紧密联系的两个光学特性,并且可以用统一的交叉谱密度矩阵来确定光束通过介质传输的光谱特性。该理论一经提出,就引起了广泛的关注和研究,并在诸如遥... 详细信息

Wolf教授于2003年提出了相干偏振统一理论,该理论指出光的相干和偏振是统计光学体系中紧密联系的两个光学特性,并且可以用统一的交叉谱密度矩阵来确定光束通过介质传输的光谱特性。该理论一经提出,就引起了广泛的关注和研究,并在诸如遥感、跟踪、光传感等领域产生了重要的应用。多高斯谢尔模光束是于近年提出、概念较新的一种光束,受到了研究者们的广泛关注。它的光谱强度变化具有“源场高斯,远场平顶”的特点,光源相干度则是多个高斯函数和的形式。本论文就基于相干偏振统一理论,讨论多高斯谢尔模光束在随机介质中的传输特性。海洋湍流的能谱模型主要由温度波动和盐度波动决定,而大气湍流能谱模型主要由光谱指数和折射率结构参数决定,本论文就重点选择这两种介质,讨论多高斯谢尔模光束在海洋湍流和大气湍流中的传输特性。本文共分为四章,安排如下：第一章主要介绍本论文的研究背景,随机电磁光束相干偏振统一理论;多高斯谢尔模光束的基本性质及相关研究进展;海洋湍流能谱模型;non-Kolmogorov型大气湍流能谱模型。通过了解相关的背景知识,对研究工作本身有了整体的认知和理解。第二章推导了多高斯谢尔模光束在海洋湍流模型中传输的交叉谱密度函数表达式;通过选取合适的参数,模拟得到了光束在海洋湍流传输时的光谱密度以及光谱相干度图样。数值模拟的结果表明,多高斯谢尔模光束随着传输距离变大,光强开始显示平顶特性,而海洋湍流影响因子的强弱则会在不同距离对光谱产生相应的影响。第三章继续推导了多高斯谢尔模光束在non-Kolmogorov型大气湍流模型中传输的交叉谱密度函数表达式;类似地,通过选取合适的参数,模拟得到了光束在大气湍流中传输的光谱密度以及光谱相干度图样。通过数值模拟,我们可以看到大气湍流参数的强弱在不同距离对多高斯谢尔模光束的光强产生的影响。第四章总结了本论文已经完成的工作以及主要创新点,并且提出未来可以继续深入研究的方向。

关键词：相干偏振统—理论交叉谱密度函数光谱密度光谱相干度海洋湍流 non-Kolmogorov型大气湍流

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偏振激光波束在斜程湍流大气中的传输特性

偏振激光波束在斜程湍流大气中的传输特性

作者：吴鹏利西安工业大学

学位级别：硕士

激光波束在斜程湍流大气中的传输特性问题在理论和实际应用方面已经得到了广泛的研究,目前主要是使用部分相干光源来研究斜程湍流大气中波束的漂移和扩展效应,较少使用偏振部分相干光源。随着人们对大气光学研究的不断深入,光波的相干... 详细信息

激光波束在斜程湍流大气中的传输特性问题在理论和实际应用方面已经得到了广泛的研究,目前主要是使用部分相干光源来研究斜程湍流大气中波束的漂移和扩展效应,较少使用偏振部分相干光源。随着人们对大气光学研究的不断深入,光波的相干性和偏振性凭其显著特点得到了广泛关注,相干性和偏振性理论的形成,使统一研究激光波束的光谱特性、相干性和偏振特性成为可能。当使用偏振部分相干激光时,要提高激光工作系统的性能,就必须考虑大气湍流对激光波束产生的扩展和漂移等现象的影响,同时必须考虑偏振部分相干激光波束的退偏特性。本文以偏振部分相干激光波束为研究对象,分析了斜程湍流大气中波束的光强、重心坐标、扩展半径以及偏振度的变化,根据推广的惠更斯-菲涅耳原理,以高斯-谢尔光束为模型,推导了斜程传输情况下偏振部分相干激光波束的光强、重心坐标、扩展半径、扩展角以及偏振度的表达式。对偏振部分相干激光波束在斜程湍流大气中传输时的扩展和漂移变化以及偏振度进行数值仿真,得到在确定的传输距离时,偏振光两正交分量的相位差、方向角、波长、初始束腰半径和接收机高度对激光波束重心坐标和扩展半径的影响;以及在确定的接收机高度下,激光波长、初始光斑尺寸和传输距离对波束光强及偏振度的影响。通过分析偏振部分相干激光波束在斜程湍流大气中波束的光强、漂移、扩展以及退偏特性,可以得到：在确定的接收机高度下,光源的初始束腰半径越大,波束的漂移和扩展效应随传输距离的增大变化越小,光源的波长越大,波束的漂移和扩展效应随传输距离的增大变化越大;在确定的斜程传输距离下,接收机高度越高,波束的漂移和扩展效应越小;在确定的接收机高度和传输距离下,波长越长,偏振度在接收机上的分布越平稳。这些结论为偏振部分相干激光波束在外场大气传输的研究提供理论依据,在激光通讯、激光测距、卫星遥感、激光武器、激光能量传输、激光目标识别和空间光束编码解码等使用激光工作的系统中具有重要意义。

关键词：偏振部分相干激光大气湍流交叉谱密度函数光束扩展光束漂移退偏

部分相干Airy光束在大气湍流中的光强演化与实验研究

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部分相干Airy光束在大气湍流中的光强演化与实验研究

作者：王松西安理工大学

学位级别：硕士

激光在大气中传输时,大气湍流效应严重制约了大气激光通信的实用化发展。为了利用Airy光束的无衍射、自恢复和自弯曲特性抑制大气湍流效应,从而实现远距离无线光通信。本文主要研究部分相干Airy光束在湍流大气中的光强演化,并对其进行... 详细信息

激光在大气中传输时,大气湍流效应严重制约了大气激光通信的实用化发展。为了利用Airy光束的无衍射、自恢复和自弯曲特性抑制大气湍流效应,从而实现远距离无线光通信。本文主要研究部分相干Airy光束在湍流大气中的光强演化,并对其进行相关实验验证。主要研究内容包括以下几个方面:1.根据高斯-谢尔模型(Gaussian Schell-Model,GSM)的交叉谱密度函数、广义Huygens-Fresnel原理以及Rytov相位结构函数二次近似法,推导了部分相干Airy光束在湍流大气中平均光强的表达式。2.分别从传输距离、指数截断因子、特征长度等相关参数对光强分布的影响进行了模拟仿真,讨论了光束自身参数对Airy光束横向加速抛物线轨迹和闪烁指数的影响。3.实验研究了部分相干Airy光束的产生及其传输特性,验证了指数截断因子、特征长度、相干度等参数对部分相干Airy光束光强分布的影响。结果表明:部分相干Airy光束在大气湍流中传输时,随着传播距离的增加、湍流强度的增大,光束的主瓣逐渐扩散、旁瓣衰减也越严重;另外,Airy光束的指数截断因子越小、特征长度越长、相干长度越长,Airy光束的光强分布越清晰。通过理论模拟分析和实验验证,结果一致表明了指数截断因子越小,部分相干Airy光束的主瓣和旁瓣的分布越清晰,同时,较大的特征长度和相干度使得Airy光束的光强分布越完整。

关键词：部分相干Airy光束大气湍流交叉谱密度函数光强分布

大气环境下部分相干涡旋光束的传输特性及光场调控研究

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大气环境下部分相干涡旋光束的传输特性及光场调控研究

作者：任程程西安工业大学

学位级别：硕士

涡旋光束在遥感探测的应用中不可避免的会受到大气环境的影响,当涡旋光束在大气中传输时,湍流大气会导致涡旋光束相干性退化,轨道角动量谱的弥散,引起光束能量在光束横截面上重新分布,从而影响到涡旋光束探测旋转物体角速度的灵敏度。... 详细信息

涡旋光束在遥感探测的应用中不可避免的会受到大气环境的影响,当涡旋光束在大气中传输时,湍流大气会导致涡旋光束相干性退化,轨道角动量谱的弥散,引起光束能量在光束横截面上重新分布,从而影响到涡旋光束探测旋转物体角速度的灵敏度。部分相干光束与完全相干光束相比,受湍流影响较小,而部分相干涡旋光束结合了部分相干光束及涡旋光束的优良特性。因此研究部分相干涡旋光束在湍流大气环境下的传输特性对涡旋光束的应用具有重要意义。本文主要研究了部分相干涡旋光束在湍流大气环境下的轨道角动量特性、相干性及涡旋光束的光强分布特性。主要工作如下:1.研究了涡旋光束自由空间中传输的强度分布以及相位结构。根据完全相干光束的轨道角动量谱理论,研究了拉盖尔-高斯（Laguerre-Gaussian,LG）光束在自由空间中传输的轨道角动量特性。分析研究了部分相干光束的基本理论、大气环境下影响光束传输特性的相关理论及标量衍射理论。2.利用随机粗糙面降低了涡旋光束的相干性,研究了部分相干涡旋光束的强度分布,模拟随机粗糙面,计算了LG光束透过随机粗糙面的强度分布,且通过实验研究了LG光束透过毛玻璃后的强度分布。推导了部分相干LG光束在自由空间以及湍流大气中传输的光强分布表达式,研究了不同初始相干长度的部分相干涡旋光束在自由空间传输中的光强分布,分析了部分相干LG光束在湍流大气传输中的强度分布特性。结果表明:当部分相干LG光束的初始相干长度大小接近光斑尺寸时,光束在自由空间传输一定距离处的光强分布逐渐转化为空心分布;部分相干LG光束在湍流大气传输一定距离后,相位奇点消失。3.根据广义惠更斯-菲涅耳原理、LG光束在光场源平面处的交叉谱密度函数,推导了部分相干LG光束在湍流大气水平以及斜程传输过程中的交叉谱密度函数。根据部分相干光理论、完全相干光轨道角动量谱理论,推导了部分相干涡旋光束在湍流大气传输过程中的轨道角动量谱的积分表达式。研究了部分相干LG光束在湍流大气水平传输过程中的轨道角动量特性及其相干性。分析了部分相干LG光束在湍流大气斜程传输中的轨道角动量特性及相干性。结果表明:部分相干LG光束初始相干长度与束腰半径取值大小相同的情况下,随着束宽的增大,光束在湍流大气水平传输一定距离处的初始轨道角动量态相对功率减小;在湍流大气斜程传输过程中,光束横向相干长度随着距离的增大,先快速增大,当传输距离达到一定值时,光束的横向相干长度变化趋于平稳。本文的研究结果对涡旋光束在光学遥感探测领域的应用有一定的价值。

关键词：涡旋光束交叉谱密度函数空间相干性轨道角动量湍流大气