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激光与红外 2022年第8期52卷 1167-1176页

作者：杨宁赵亮许颖徐勇根西华大学理学院四川成都610039

利用扩展的Huygens-Fresnel原理以及维格纳分布函数(Wigner distribution function,WDF)的二阶矩理论,推导出部分相干径向偏振扭曲光束(partially coherent radially polarized twisted beam,PCRPTB)在非均匀大气湍流中的M^(2)因子、空间扩展和角扩展的解析式。通过相应的数值模拟计算分析了初始相干长度、束腰宽度、波长、天顶角、扭曲因子、湍流内尺度等对光束传输质量的影响。研究表明具有扭曲相位的PCRPTB展现出更强的抗大气湍流的能力,且扭曲因子越大,光束抗大气湍流的能力越强。而且减小初始相干长度,增大束腰宽度,波长也可以有效降低PCRPTB在大气湍流中的相对M^(2)因子,使光束具有更强的抗大气湍流的能力。研究还可以发现,PCRPTB在湍流内尺度与广义指数参数较大的大气湍流中以一个更小的天顶角传输,其相对M^(2)因子更小,表明大气湍流对PCRPTB的影响更小。

关键词：部分相干径向偏振扭曲光束扭曲因子非均匀大气湍流 M^(2)因子

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部分相干径向偏振扭曲光束在随机介质中的传输特性

部分相干径向偏振扭曲光束在随机介质中的传输特性

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作者：杨宁西华大学

学位级别：硕士

光束在随机介质（大气湍流和海洋湍流）中传输,由于湍流效应的影响,光束的传输因子、空间扩展、角扩展和光强等传输特性将发生变化。具体表现为:光束的扩展和漂移、光强闪烁、相位畸变等,从而引起激光信噪比下降,误码率上升,进而影响激... 详细信息

光束在随机介质（大气湍流和海洋湍流）中传输,由于湍流效应的影响,光束的传输因子、空间扩展、角扩展和光强等传输特性将发生变化。具体表现为:光束的扩展和漂移、光强闪烁、相位畸变等,从而引起激光信噪比下降,误码率上升,进而影响激光的应用。通过在部分相干矢量光束的基础上引入扭曲相位等可有效地提高光束的抗湍流能力,进而使光束在各领域中的应用更广泛,因此研究部分相干径向偏振扭曲光束在随机介质中传输具有重要的实际意义。本文研究部分相干径向偏振扭曲光束（Partially Coherent Radially Polarized Twisted Beams,简称:PCRPTB）,以大气湍流和海洋湍流作为传输介质,通过扩展的惠更斯-菲涅尔原理与魏格纳分布函数（Wigner distribution function简称:WDF）相结合的方法推导出PCRPTB在随机介质中传输的二阶矩公式,通过数值模拟方法研究了PCRPTB在随机介质中的传输特性。结果表明径向偏振结构和扭曲相位可以有效地降低随机介质对PCRPTB传输特性的影响,从而提高光束的抗湍流能力。具体内容如下:1.具体描述了光束传输的研究意义和国内外研究现状以及大气湍流和海洋湍流的发展,介绍光束的基础理论和扩展的惠更斯-菲涅尔原理、WDF、二阶矩、大气湍流、海洋湍流的基本理论。2.利用扩展的惠更斯-菲涅尔原理推导出PCRPTB通过随机介质的光强表达式,然后对其进行数据模拟分析,研究不同传输距离和不同扭曲因子对PCRPTB光强的影响,通过分析数据模拟图,比较了自由空间、大气湍流和海洋湍流对光束的光强有不同程度的影响,发现海洋湍流对光强的影响最大,大气湍流次之,自由空间对光强的影响最小。另外分析扭曲因子对光束传输特性的影响,结果表明通过引入扭曲相位并合理的增大扭曲因子,可使光束在随机介质中能够保持暗空心的光强,进而提高PCRPTB的抗湍流能力。3.利用扩展的惠更斯-菲涅尔原理、WDF与光束的二阶矩理论,推导出光束在均匀大气湍流、非均匀大气湍流和海洋湍流中的M因子、角扩展和空间扩展。同时通过数值模拟,详细分析光束参数（初始相干长度、束腰、波长和扭曲因子等）,湍流参数（大气湍流:湍流内尺度、湍流外尺度、各向异性因子等;海洋湍流:动能耗散率、温度方差耗散率和温度盐度比率等）对光束传输特性的影响。通过调控光束参数来降低光束通过随机介质的M因子来提高光束的传输质量,进而提高PCRPTB的抗湍流能力。研究发现,光束在海洋湍流中传输其M因子在短距离内迅速增加,而光束在大气湍流中传输,其M因子增加比光束在海洋湍流中增加缓慢,当光束在非均匀大气湍流中传输时,光束的M因子先增加比较快,之后M因子就会增加比较平缓,最后逐渐趋于饱和。

关键词：部分相干径向偏振扭曲光束大气湍流海洋湍流扭曲因子 M2因子平均光强

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