湍流对部分相干环状偏心光束和厄米——高斯光束传输特性的影响

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激光通过湍流介质传输特性的研究对发展激光通信、卫星遥感、激光测距和激光武器等实际应用具有非常重要的意义。大气湍流和海洋湍流是两种不同的重要激光传输介质,因此研究大气湍流和海洋湍流对激光传输特性的影响具有重要意义。实际大气呈现出不均匀性或各向异性等特征,并且实际激光束存在部分相干性、高阶模式、环状分布、偏心分布。本论文以部分相干厄米-高斯光束和部分相干环状偏心光束为例,研究了大气湍流和海洋湍对光束传输特性的影响。本论文主要研究内容如下:  (1)部分相干厄米-高斯光束通过non-Kolmogorov大气湍流传输光束扩展区间的研究。研究表明:激光通过大气湍流传输,光束扩展主要由空间衍射和大气湍流两个物理机制确定,而大气湍流对光束扩展的影响又与光束空间衍射特性相关。本文把光束扩展按传输距离划分为三个区间,造成这三个区间的光束扩展的主要物理机制依次是:空间衍射、空间衍射和大气湍流、大气湍流。本论文推导出了两个湍流距离和瑞利距离的解析表达式,做数值计算详细研究了激光参量和大气湍流参量对三个光束扩展区间范围大小的影响,以及第一个光束扩展区间与光束瑞利区间的关系,并对主要的结论给出了合理的物理解释。  (2)部分相干环状偏心光束通过海洋湍流传输的光强特性、质心位置和最大光强位置变化的研究。推导出了部分相干环状偏心光束通过海洋湍流传输平均光强和光束质心位置的解析表达式,给出了最大光强位置满足的传输方程,进而详细研究了光束平均光强分布、质心位置和最大光强位置的变化规律。研究表明:经足够长距离传输后,在自由空间中最大光强位置比光束质心更靠近传输z轴,并且其位置随着光束相干参数的增大而靠近传输z轴,随着光束偏心参数和遮拦比的增大而远离传输z轴。但是,在海洋湍流中最大光强位置趋于质心位置,并且海洋湍流的增强会加速最大光强位置趋于质心位置的进程。在海洋湍流中光束的相干性对光束传输特性的影响明显减小。另一方面,光束质心位置与光束的相干性、光束传输距离以及海洋湍流均无关系,并且光束质心位置随着光束偏心参数和遮拦比的增大而远离传输z轴。  (3)部分相干环状偏心光束通过海洋湍流传输的光束对称性和平坦程度变化的研究。根据魏格纳分布函数,推导出了部分相干环状偏心光束的高阶矩、偏斜度A和K参数的解析表达式,并推导出了与K参数有关的海洋湍流参数T的解析表达式,以及研究了海洋湍流参数T的特性。研究发现:海洋湍流中偏斜度A和K参数的变化规律与自由空间中的差别很大。自由空间中,在某一适当传输距离z0处,光束的大部分光强分布从质心坐标轴yc的一侧移动到另一侧,z0与相干参数τ值无关,光束在远场会出现尖峰态;且只有光束相干性较差时大部分的光强分布在yc轴的一侧,光束呈高斯分布。但是,在海洋湍流中,当湍流不太弱时,无论光束相干性如何,光束的大部分光强分布都在yc轴的一侧,光束在远场总能呈高斯分布。
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