径向偏振光束在自由空间及大气中的传输特性

摘要

本学位论文主要根据E.wolf的近轴传输理论，通过数值分析研究径向偏振光束在完全相干及部分相干两种情况下其在自由空间及大气中的传输特性，主要工作内容包括： 1.基于E.Wolf近轴传输理论，导出离轴径向偏振光束（完全相干）光强的解析表达式，并研究离轴量对离轴径向偏振光束传输中光强分布的影响，同时根据一阶矩质心位置的定义推导出离轴径向偏振光束的质心坐标，研究其质心位置的变化规律。结果表明，与径向偏振光束不同，离轴径向偏振光束在近场处传输时光强分布不均匀，随着传输距离的增加，光强分布均匀性逐渐得到改善，而径向偏振光束在传输中始终保持空心对称光斑。 2.实际中光束往往具有一定的谱宽，基于此，将前述讨论的单色径向偏振光拓展到多色（完全相干）情况进行研究，分析其在传输中的光强以及光谱特性，并将其与单色的情况和线偏振高斯光束进行对比。结果表明，光源的谱宽增加对多色径向偏振光束光斑尺寸的影响在近场及远场区域有所不同。在光谱特性方面，观测平面上总存在一个临界位置，其内部点光谱表现为蓝移，外部点表现为红移；无论在近场还是远场，光源谱宽的增加都会使得临界位置远离光束中心。在光源谱宽确定的情况下，远场区观测点的光谱谱移量要明显高于近场区；此外，在与多色线偏振高斯光束的对比中发现：在相同传输距离处，多色径向偏振光束的临界位置的半径，明显大于多色线偏振高斯光束。 3.将径向偏振光束与部分相干特性相结合，从理论分析和数值模拟两个方面，研究部分相干径向偏振光束在自由空间中的传输特性，分析相干性的高低对部分相干径向偏振光束传输过程中光斑形状、斯托克斯参数、以及偏振度产生的影响，同时与完全相干的情形进行对比。 4.根据广义惠更斯理论及相干偏振统一理论，深入研究部分相干径向偏振光束在自由空间传输中的相干性变化，利用数值模拟进行分析，研究表明，部分相干径向偏振光束在自由空间传输时，不同参考点处，复相干度模值随传输距离的变化规律有所差别。 5.将光束传输介质拓展到大气领域，加入湍流强度进行分析，研究部分相干径向偏振光束在大气湍流中传输时，光源波长对光强分布的影响，以及相干性、湍流强度、光斑尺寸、光源波长对偏振度（DOP）分布的影响。数值模拟表明：部分相干径向偏振光束在大气湍流中传输时，随着传输距离的增大，光强逐渐由空心分布演化为实心分布。光强完成这一演化所需的传输距离与光源波长有关。另一方面，在确定的传输距离处，光源相干性越高、大气湍流越弱、光斑尺寸越大及光源波长越短，DOP随半径变化的曲线斜率也越大。随着光束传输距离的增加，这种趋势会逐渐突现。 6．深入研究部分相干径向偏振光束在大气中进行通信传输时，其束宽展宽及角扩展特性，根据广义惠更斯—菲涅尔原理及交叉谱密度矩阵推导出部分相干径向偏振光束及高斯光束在大气通信中二阶矩束宽的解析表达式，并对比大气湍流强度、相干长度及光源波长的选择对两种光束在大气通信中束宽展宽及角扩展的影响。研究表明，同一参数下，高斯光束束宽展宽远大于部分相干径向偏振光束束宽展宽，高斯光束的角扩展不仅与大气湍流强度、相干长度及光源波长有关，还受其光束束腰宽度影响，而光束的束腰宽度对于部分相干径向偏振光束的角扩展并不产生影响，说明部分相干径向偏振光束在大气通信中更具优越性。

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第1章 引 言

1.1 研究背景及意义

1.2 本论文主要内容及章节安排

第2章 径向偏振光束传输基础理论

2.1 径向偏振光束理论知识

2.2 部分相干理论基础

2.3 近轴传输理论

第3章 离轴径向偏振光束及其在自由空间中的传输

3.1 理论计算

3.2 光斑传输特性

3.3 光束质心

3.4 本章小结

第4章 多色径向偏振光束的光强及光谱特性

4.1 理论计算

4.2 光强特性

4.3 光谱特性

4.4 与线偏振多色高斯光束的对比

4.5 本章小结

第5章 部分相干径向偏振光束在自由空间中的传输

5.1 理论计算

5.2 光强及其演变

5.3 斯托克斯参数及偏振度

5.4 传输中的复相干度

5.5 本章小结

第6章 部分相干径向偏振光束在大气湍流中的传输

6.1 理论计算

6.2 光强及其演变

6.3 偏振度（DOP）的演变

6.4 束宽展宽及角扩展

6.5 本章小结

第7章 结论与展望

7.1 主要结论

7.2 展望

参考文献

致谢

个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果